TA15鈦合金的名義成分為 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V[1], 屬于高 Al 當(dāng)量的近 α 型鈦合金, 其主要強(qiáng)化機(jī)制是通過(guò) α 穩(wěn)定元素 Al 的固溶強(qiáng)化, 加入中性元素 Zr 和 β、 穩(wěn)定元素 Mo 和 V, 可以改善工藝性能[2-4]。 該合金既具有 α 型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性, 也具有接近 α+β 型鈦合金的工藝塑性[5],因此, 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛, 如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣, 飛機(jī)的各種鈑金件、 結(jié)構(gòu)件等[6-8] 均采 用TA15 鈦合金。

由于TA15鈦合金的室溫強(qiáng)度較高, 其屈服強(qiáng)度約為 900MPa, 決定了該合金的管材冷加工存在很大的困難和局限性, 產(chǎn)品主要為棒材、 板材、 鍛件等[9-11]。 隨著鈦合金在各種領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,TA15 鈦合金管材產(chǎn)品的需求也逐漸增加。 因此, 本試驗(yàn)在大工業(yè)生產(chǎn)條件下, 采用不同的工藝生產(chǎn)TA15 鈦合金管材, 對(duì)比其性能、 組織、 外觀(guān)尺寸及生產(chǎn)成本等方面的差異, 最終可以根據(jù)客戶(hù)的不同使用需求, 選用最合適的工藝來(lái)生產(chǎn)TA15鈦合金管材。

1、 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的原材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司使用真空自耗爐 3 次熔煉的TA15鈦合金鑄錠, 鑄錠的主要成分見(jiàn)表 1, 通過(guò)金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為 990 ~995℃。

1.2 制備工藝

TA15鈦合金鑄錠經(jīng)過(guò)多火次鍛造為管坯棒后,分別采用棒材鉆孔機(jī)加法 (簡(jiǎn)稱(chēng)鍛造法)、 擠壓后機(jī)加法 (簡(jiǎn)稱(chēng)擠壓法) 以及斜軋穿孔后機(jī)加法 (簡(jiǎn)稱(chēng)斜軋法) 制備 Φ120mm×16mm 規(guī)格的管材, 3種工藝具體的工藝路線(xiàn)如下。

鍛造法: 相變點(diǎn)以上開(kāi)坯+相變點(diǎn)以下墩拔+相變點(diǎn)以下拔長(zhǎng)—精鍛為成品黑皮管坯棒—外車(chē)至Φ120mm 的成品管坯棒—下料—鉆鏜孔—內(nèi)外表面拋光為成品管材。 管材規(guī)格為 Φ120mm×16mm。

擠壓法: 相變點(diǎn)以上開(kāi)坯+相變點(diǎn)以下墩拔+相變點(diǎn)以下拔長(zhǎng)為黑皮管坯棒—下料—外車(chē)至Φ213mm—芯部鉆鏜孔—內(nèi)外包套—加熱至 900 ~960℃ 保溫—使用臥式擠壓機(jī)擠壓為 Φ125mm ×21mm規(guī)格的擠壓管材—端部平齊—內(nèi)孔鏜孔—外表面車(chē)削為成品管材。管材規(guī)格為Φ120mm ×16mm。

斜軋法: 相變點(diǎn)以上開(kāi)坯+相變點(diǎn)以下墩拔+相變點(diǎn)以下拔長(zhǎng)—精鍛為成品黑皮管坯棒—外車(chē)至Φ123mm 的 成 品 管 坯 棒—下 料—加 熱 至 980 ~1050℃保溫—使用斜軋穿孔機(jī)制備為 Φ125mm×21mm規(guī)格的斜軋穿孔管材—端部平齊—內(nèi)孔鏜孔—外表面車(chē)削為成品管材。 管材規(guī)格為 Φ120mm×16mm。

1.3 試驗(yàn)方法

3 種不同工藝制備的TA15鈦合金管材, 對(duì)比其表面質(zhì)量、 尺寸公差和核算成本。 分別取樣測(cè)試其室溫拉伸、 室溫沖擊功等各項(xiàng)性能, 并觀(guān)察對(duì)比其顯微組織。

2、 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 表面質(zhì)量

3 種不同工藝制備的TA15鈦合金管材的外觀(guān)如圖 1 所 示。 圖 1a 為 鍛 造 管 材, 表 面 光 滑, Ra <0.8μm, 未見(jiàn)裂紋、 磕碰等缺陷, 也未見(jiàn)明顯加工痕跡, 且直線(xiàn)度較好。 圖 1b 為擠壓管材, 表面銅皮附著完整、 光滑, 局部撕開(kāi)銅皮可見(jiàn)縱向擠壓紋路,屬正常擠壓痕跡。 管材的整體直線(xiàn)度較高, 外表面機(jī)加后可獲得光潔的表面。 圖 1c 為斜軋穿孔管材,表面為一層黑色氧化皮, 整體較光滑, 無(wú)明顯缺陷。

這是因?yàn)? 斜軋穿孔時(shí), 管坯棒在變形區(qū)內(nèi)被反復(fù)碾壓, 外表面受到徑向壓應(yīng)力的同時(shí), 還會(huì)受到切向的拉應(yīng)力和軸向的拉應(yīng)力, 從而螺旋前進(jìn)。 因此,斜軋管材表面會(huì)有一圈圈的螺旋壓痕, 相比其他工藝制備的管材, 表面平整度和直線(xiàn)度較差, 手摸有“波浪” 的觸感, 且此螺旋壓痕無(wú)法通過(guò)矯直的方法消除。 一般來(lái)說(shuō), 斜軋穿孔制備的管材徑厚比越大, 螺旋紋越明顯, 本次試驗(yàn)制備的 Φ125mm ×21mm規(guī)格的管材徑厚比相對(duì)較小, 螺旋紋較輕,目視不太明顯。 外表面機(jī)加時(shí), 螺旋紋的存在會(huì)導(dǎo)致表面車(chē)除不均勻。

2.2 尺寸精度

3 種不同工藝制備的TA15鈦合金管材的原始管材和機(jī)加后管材的壁厚偏差如表 2 所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn), 鍛造法制備的管材的尺寸精度高, 壁厚偏差很小, 在棒材中心打好定心孔后鉆鏜孔, 內(nèi)外圓同心度較高, 能將尺寸精度控制在較高的水平。

擠壓法制備的管材直徑較大, 壁厚較厚, 擠壓后長(zhǎng)度約為 2m, 壁厚偏差約為 0.6mm, 屬于一般精度水平。 機(jī)加時(shí)因?yàn)殚L(zhǎng)度較長(zhǎng), 受到鏜刀自重以及車(chē)床裝配等因素的影響, 機(jī)加后壁厚偏差有小幅增加, 達(dá)到 0.8mm, 但可以滿(mǎn)足大部分客戶(hù)的使用需求。

斜軋法制備的管材, 其原始管材的壁厚偏差非常小, 僅為0.4mm, 但機(jī)加后,壁厚偏差增加至0.8mm, 其原因與擠壓法相似。 對(duì)于徑厚比較大的斜軋穿孔管材, 由于表面螺旋紋的存在, 機(jī)加時(shí)表面車(chē)除不均勻, 導(dǎo)致壁厚偏差劇烈增加。若使用環(huán)境對(duì)表面質(zhì)量和直線(xiàn)度的要求不高, 可以保留原始斜軋表面或進(jìn)行表面噴丸處理, 控制壁厚偏差在較小的范圍。

2.3 力學(xué)性能和顯微組織

3 種不同工藝制備的TA15鈦合金管材的室溫拉伸性能和沖擊韌性相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3。 其中, Rm為抗拉強(qiáng)度, ReL 為屈服強(qiáng)度, A 為伸長(zhǎng)率, Z 為端面收縮率, Akv 為沖擊功。

從表 3 可以發(fā)現(xiàn), 3 種工藝制備的TA15鈦合金管材的室溫力學(xué)性能和沖擊韌性均滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。

將管材性能進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn): 3 種工藝制備的TA15 鈦合金管材的抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng), 僅相差約20MPa; 鍛造法和擠壓法制備的TA15鈦合金管材的屈服強(qiáng)度相當(dāng), 較斜軋法制備的TA15鈦合金管材的屈服強(qiáng)度約高 50MPa, 可以認(rèn)為 3 種工藝制備的TA15鈦合金管材的強(qiáng)度基本處于同一水平。 針對(duì)伸長(zhǎng)率和斷面收縮率兩項(xiàng)指標(biāo), 鍛造法制備的TA15 鈦合金管材的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率為 17.0%和47%, 擠壓法制備的TA15鈦合金管材的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率為 18.5%和 49%, 基本無(wú)差別, 而斜軋法制備的TA15鈦合金管材的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率僅為 13.0%和 30%, 明顯低于另外兩種工藝。 對(duì)比沖擊功數(shù)值, 鍛造法制備的TA15鈦合金管材的沖擊功為 39.5J, 低于擠壓法制備的TA15鈦合金管材的沖擊功 48.3J 和斜軋法制備的TA15鈦合金管材的沖擊功 50.3J, 擠壓法和斜軋法制備的TA15鈦合金管材的沖擊功可以認(rèn)為處于同一水平。

根據(jù)實(shí)際的使用需求, 對(duì)比 3 種工藝制備的TA15 鈦合金管材的綜合性能, 擠壓法制備的 TA15鈦合金管材的綜合性能最為優(yōu)異, 強(qiáng)度、 塑性、 沖擊韌性均處于較高的水平, 可以滿(mǎn)足更多的使用需求; 鍛造法制備的TA15鈦合金管材的綜合性能也較高, 強(qiáng)度、 塑性均較好, 沖擊韌性良好, 適用于很多高要求的工作環(huán)境; 斜軋法制備的TA15鈦合金管材的綜合性能較低, 主要缺點(diǎn)為塑性較差, 不利于后期加工和使用, 適用于性能要求較低的場(chǎng)合。

3 種不同工藝制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織見(jiàn)圖 2。 由圖 2 可知, 鍛造法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織主要為等軸初生 α 相+少量條狀初生 α 相+晶間 β 相組成 (圖 2a), 由于鍛造后空冷, 晶間 β 相中還有細(xì)小的針狀次生 α 相析出。 其中, 初生 α 相占比較大, 約為 70%, 且初生α 相的晶粒非常細(xì)小, 晶粒尺寸大部分約為 10 ~15

μm, 晶界清晰、 完整。 根據(jù)等軸組織的性能規(guī)律, 這種組織具有較好的綜合性能, 強(qiáng)度和塑性均較好, 但沖擊韌性相對(duì)差些。 沖擊斷裂時(shí), 裂紋擴(kuò)展分為沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種, 等軸初生 α 相占比較多且晶粒細(xì)小時(shí), 裂紋主要沿著 α 晶界擴(kuò)展,消耗能量較少[12-13], 因此沖擊功較小, 與表 3 的測(cè)試結(jié)果也相吻合。 擠壓法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織為 α+β 雙態(tài)組織 (圖 2b)。 由于擠壓在 α+β 區(qū)加熱進(jìn)行, 在金屬變形過(guò)程中晶粒沿著變形方向被壓扁, 沿著流動(dòng)方向被拉長(zhǎng), 形成了等軸及長(zhǎng)條狀的 α+β 組織。 本次試驗(yàn)擠壓管材的壁厚較厚, 擠壓比僅為 4.3, 組織的變形程度較一般情況 (擠壓比為 10 左右) 相比沒(méi)那么劇烈, 加之?dāng)D壓后動(dòng)態(tài)再結(jié)晶, 因此仍有部分的等軸 α 組織存在。 與鍛造法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織相比, 擠壓法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織中的初生 α 相含量略少, 約占 60%, 而轉(zhuǎn)變的 β 相的含量相對(duì)增多, 并且初生 α 相晶粒大小也相對(duì)更大一些, 晶粒尺寸平均達(dá)到 20 ~ 25μm 以上, 長(zhǎng)條狀的晶粒尺寸甚至能夠達(dá)到 50μm。 這種類(lèi)型的組織同樣具有良好的綜合性能, 強(qiáng)度、 塑性均很好, 而且沖擊斷裂時(shí), 由于條狀 α 相具有較大的縱橫比, 使得裂紋擴(kuò)展方向頻繁改變從而消耗更多能量, 并且有些裂紋會(huì)穿透條狀的 α 相內(nèi)部, 以穿晶斷裂的方式擴(kuò)展, 消耗的能量更大, 沖擊功較高[12-13]。 斜軋法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織為粗大的魏氏體組織 (圖 2c)。 由于在相變點(diǎn)左右加熱后進(jìn)行加工, 初生 α 相完全轉(zhuǎn)變?yōu)?β 組織, 并且晶粒尺寸大幅增大, 冷卻時(shí) β 相晶內(nèi)雜亂地析出大量細(xì)長(zhǎng)的、 平直的針狀次生 α 相。 此類(lèi)組織的典型性能即塑性很差, 伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均較低, 而沖擊斷裂時(shí), 晶內(nèi)針狀次生 α 相的存在使得裂紋以穿晶斷裂的方式擴(kuò)展, 同時(shí)由于針狀次生α 相的分布雜亂、 交錯(cuò), 使得裂紋擴(kuò)展時(shí)消耗的能量較大, 具有很高的沖擊功, 與表 3 的測(cè)試結(jié)果非常吻合。

綜合室溫性能和軸向顯微組織對(duì)比 3 種工藝制備的TA15鈦合金管材, 可以認(rèn)為: 擠壓法和鍛造法制備的TA15鈦合金管材均可以獲得 α+β 雙態(tài)組織, 具有優(yōu)異的組織形貌和力學(xué)性能, 均可以滿(mǎn)足各種使用要求; 而斜軋法制備的TA15鈦合金管材,其顯微組織為粗大的魏氏體組織, 塑性較差, 適用于性能要求較低的零部件。

2.4 生產(chǎn)成本

3 種不同工藝制備的TA15鈦合金管材的成材率及加工費(fèi)用 (折算成材率后的單價(jià)) 見(jiàn)表 4。

由表 4 可知, 斜軋法制備的TA15鈦合金管的成材率最高, 擠壓法次之, 鍛造法最低, 成本亦是如此。

工業(yè)生產(chǎn)時(shí), 核算綜合成本, 斜軋法的成本最低; 鍛造法和擠壓法相比, 不同規(guī)格的成品的成材率有所不同, 結(jié)合原材料價(jià)格和加工費(fèi)的差異, 兩種工藝的成本互有高低, 需要根據(jù)實(shí)際情況核算。

3、 結(jié)論

(1) 鍛造法、 擠壓法、 斜軋法均可以制備 Rm為 900~1130MPa, A≥9%, Z≥25%, Akv≥28J 的TA15 鈦合金管材。

(2) 鍛造法和擠壓法制備的TA15鈦合金管材的顯微組織為 α+β 雙態(tài)組織, 斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的顯微組織為粗大的魏氏體組織。

(3) 鍛造法和擠壓法制備的TA15鈦合金管材的綜合性能良好, 但成本較高, 適用制作性能要求較高的零部件。

(4) 斜軋法制備的TA15鈦合金管材的塑性較差, 但成本最低, 適用于使用要求較低的零部件。

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