TA15 異形環(huán)件不同位置組織性能對(duì)比研究

TA15 鈦合金屬于近α 型中強(qiáng)度鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr。該合金比TC4 鈦合金室溫強(qiáng)度略高，且高溫性能優(yōu)異，同時(shí)具有良好的熱加工性能，可以制成形材、厚板、鍛件等，在航天領(lǐng)域主要用于制造運(yùn)載火箭的壓力容器、部分衛(wèi)星結(jié)構(gòu)零部件以及戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈體中要求強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好的零部件。本文選用TA15 合金開展異形環(huán)件的研究和試制工作，擬提供一種高性能的結(jié)構(gòu)件用異形環(huán)材，同時(shí)研究自由鍛造異形鍛件的成形工藝特點(diǎn)，探索在熱變形中不同變形條件對(duì)成形性能的影響，達(dá)到優(yōu)化工藝、保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選材

試驗(yàn)選用的材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的經(jīng)過3 次VAR 熔煉的TA15 鈦合金鑄錠，其錠型尺寸為

910mm，主要化學(xué)成分范圍見表1，合金相變點(diǎn)為990℃±5℃。

試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用設(shè)備為80/100MN(10000t)油壓快鍛機(jī)、3150t 水壓機(jī)和D53K-3000A 軋環(huán)機(jī)，采用先開坯鍛造制坯，然后使用軋環(huán)機(jī)輾軋壁厚均勻的環(huán)坯，最后用壓機(jī)整形的方法進(jìn)行異形環(huán)鍛件的試制。顯微組織和力學(xué)組織取樣位置如圖1 所示。其中顯微組織試樣為15mm×15mm，力學(xué)性能試樣為15mm×15mm×80mm，室溫沖擊韌性試樣開口類型為“U”口。顯微組織檢測(cè)設(shè)備為Axiovery 200 MAT光學(xué)顯微鏡，室溫拉伸性能檢測(cè)設(shè)備為Instron 5885電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，室溫沖擊韌性檢測(cè)設(shè)備為JNS-300 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)。

結(jié)果與討論

曲率大點(diǎn)和曲率小點(diǎn)鍛件組織對(duì)比

圖2(a)、(b)分別為異形環(huán)曲率小點(diǎn)和曲率大點(diǎn)的鍛件低倍組織形貌?？梢钥闯觯瑑商幍腻懠捅毒鶡o夾雜、裂紋等冶金缺陷，無明顯粗大晶粒形貌，流線分布完整、合理。

通過對(duì)比兩處的顯微組織可以看出，不同位置均為雙態(tài)組織，且兩處顯微形貌較為一致，由初生α相＋次生α 相＋β 相組成，表現(xiàn)出良好的均勻性。進(jìn)一步比較可以發(fā)現(xiàn)，鍛件曲率大的位置處的初生α 相比例略微高于曲率小點(diǎn)處，且初生α 相比曲率小點(diǎn)處球化程度更高。綜合考慮鍛件在α ＋β 相區(qū)塑性變形時(shí)不同位置的變形情況，可知在整形火次，曲率小點(diǎn)處上下接觸錘頭，屬于變形死區(qū)；相較而言，曲率大點(diǎn)部位的變形量更大，應(yīng)變速率大，溫降快導(dǎo)致變形溫度低，因此初生α 含量較曲率小點(diǎn)部位多些，等軸化程度高。

曲率大點(diǎn)和曲率小點(diǎn)鍛件性能對(duì)比

圖6、圖7分別是斷裂韌性、沖擊韌性的變化曲線，可以看出，部位(a)處斷裂韌性、沖擊韌性均略微高于(b)處。結(jié)合圖2，相較部位(b)處，部位(a)處原始β 晶界和次生片層α 集束更多，裂紋在片層組織中的擴(kuò)展路徑更曲折，導(dǎo)致裂紋總的長(zhǎng)度增加，需要消耗更多的能量，因此曲率小點(diǎn)處的斷裂韌性更高。

圖5 為500℃抗拉強(qiáng)度變化曲線?？梢钥闯?，曲率小點(diǎn)處高溫抗拉強(qiáng)度略高于曲率大點(diǎn)處。這是因?yàn)樵?00℃高溫下，滑移是TA15 鈦合金最主要的變形方式，此時(shí)等軸α 相含量與次生α 相片層厚度對(duì)高溫抗拉強(qiáng)度有更顯著的影響。曲率小點(diǎn)處等軸α 相少，次生片層α 相較多，且片層α 相厚度小，增多的晶界對(duì)滑移產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，因此高溫抗拉強(qiáng)度略高。

沖擊加載在缺口周圍產(chǎn)生塑性變形，反映了材料的缺口敏感性。曲率大點(diǎn)處的裂紋主要沿塊狀初生α 晶界擴(kuò)展，裂紋主要沿著初生α 晶界進(jìn)行，需要消耗的能量相對(duì)少；曲率小點(diǎn)處，裂紋穿過片層狀次生α 晶粒內(nèi)部，在相應(yīng)的斷裂時(shí)裂紋要穿過初生α相內(nèi)部，消耗能量多，因此沖擊功高，沖擊韌性也高。

為了驗(yàn)證該異形環(huán)上不同位置的性能均勻性，分別從圖1(a)、(b)處取樣，試樣代表了不同部位的鍛件力學(xué)性能。圖3、圖4 分別為TA15 鈦合金異形環(huán)鍛件不同取樣部位的室溫抗拉強(qiáng)度和塑性變化曲線。從圖中可以看出，鍛件不同部位整體室溫拉伸性能一致性較好，說明鍛件組織均勻性較好。進(jìn)一步比較，曲率大點(diǎn)處的室溫抗拉強(qiáng)度略微高于曲率小點(diǎn)處，塑性也較曲率小點(diǎn)處略高，尤其是斷面收縮率。這是因?yàn)殄懠谧冃芜^程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶是由擴(kuò)散機(jī)制主導(dǎo)的熱激活過程，曲率大點(diǎn)處應(yīng)變速率低，有利于再結(jié)晶，同時(shí)變形量大，使得再結(jié)晶等軸化程度高，因此室溫抗拉強(qiáng)度高。同時(shí)，(a)處有相對(duì)多的片層狀的α 相束，由于相界較多會(huì)對(duì)滑移產(chǎn)生強(qiáng)烈的阻礙作用，導(dǎo)致位錯(cuò)難以穿過α/β 相界面，在相界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣過早地進(jìn)入屈服階段，而(b)部位晶粒球化更完全，等軸狀的α 相有利于滑移的開動(dòng)，塑性更優(yōu)異。

2.1.3 嚴(yán)重程度。調(diào)查發(fā)現(xiàn)的20種病害中，9種病害達(dá)嚴(yán)重危害級(jí)別，分別是光葉紫花苕斑枯病、葉斑病、白粉病；黑麥草銹病、鐮孢枯萎病、離孺孢葉枯病；玉米大斑病、小斑病和銹病。其余9種病害為危害級(jí)別。

綜合比較上述性能可以看出，鍛件不同位置處拉伸性能、沖擊性能和斷裂韌性一致性較好，說明鍛件的組織均勻性較好。相比而言，曲率小點(diǎn)處除室溫抗拉強(qiáng)度略低以外，室溫?cái)嗝媸湛s率、高溫抗拉強(qiáng)度、沖擊性能和斷裂韌度均略高于曲率較大處。以上這些熱工藝特點(diǎn)，有助于更好地評(píng)價(jià)異形鍛件的整體性能情況，從曲率最大最薄弱環(huán)節(jié)取樣，測(cè)試性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則鍛件均能達(dá)到使用要求條件。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在最低服役溫度下，焊縫、熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值不低于54J才能滿足要求。由試驗(yàn)結(jié)果可知，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均滿足要求，而自動(dòng)焊的沖擊吸收能量更高，能夠滿足更高的要求。

式中第一項(xiàng)反映了混凝土的抗劈裂承載力，第二項(xiàng)反映了混凝土榫的抗剪承載力，第三項(xiàng)則反映了貫穿鋼筋對(duì)混凝土的約束作用.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2.

結(jié)論

(1)鍛件的顯微組織為雙態(tài)組織，由初生α 相+次生α 相+β 相組成，鍛件整體塑性流線分布好，整體表現(xiàn)出良好的均勻性。

這下許飛高興了，他偷了一塊豬油抹在頭發(fā)上，用黑色畫筆涂了一張蝴蝶結(jié)綁在脖子上，他說要當(dāng)我的新郎官，我咧嘴笑了一下，讓他背過去，跳到他的背上死命壓住他往地上撲。

(2)曲率大點(diǎn)處，變形量大，應(yīng)變速率高，等軸初生α 相比例略高，室溫抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率有所提高；曲率較小點(diǎn)處，次生片層狀α 相比例略高，450℃高溫拉伸性能及沖擊韌性和斷裂韌性略高。