TA17鍛造工藝對力學性能的影響

TA17合金名義成分是Ti-4Al-2V,標稱系數Kβ小于0.20 ,屬于近α合金。該合金是中等強度的鈦合金,具有優良的焊接性能、可制作板材,棒材和鍛件,是海水環境下的理想結構材料。該合金主要應用于艦船、化工、航空、原子能等領域。目前俄羅斯艦船材料選用該合金主要做聲納系統、核潛艇二回路和深潛器等機械和動力設備[ 1-3]。

由于TA17鈦合金為近α型鈦合金,熱處理對改善合金性能效果很不明顯,所以改善合金性能需要通過熱加工過程實現,因此研究鍛造工藝對合金的組織性能的影響尤為必要和迫切。而國內關于TA17合金鍛造加工的報道相對較少4。本文對該合金α +β區鍛造變形量對方棒的鍛造工藝組織、性能進行研究,以對后續加工該合金的應用推廣提供一定的參考。

本文采用兩種鍛造工藝進行對比實驗,通過高倍組織、室溫拉伸性能、超聲波探傷,研究了鍛造工藝對TA17鈦合金方棒顯微組織和力學性能的影響。具體實驗方案見表1。

選用兩種工藝鍛造的坯料和方棒分別截取1節長120 mm試樣塊,將2個試樣塊經830℃保溫1小時,空冷退火處理。在每個試樣塊截面1/2半徑處線切割切取2個q12mm x 120mm ,2個p15 x20 mm規格的試樣,按照GB/T228《金屬材料室溫拉伸試驗法》和GB/T5168《α- β鈦合金高低倍組織檢驗方法》標準采用INSTRON 4505萬能試驗機測定所取試樣的拉伸性能，MM -6金相顯微鏡觀察材料的顯微組織,采用便攜式超聲波探傷儀MaS380對方棒進行超聲波探傷檢測。

兩種鍛造工藝中間坯料顯微組織對比

鍛造加工有利于改善鈦合金內部組織,合理控制加工率能夠提高鈦合金的綜合性能。TA17鈦合金方棒在整個熱加工過程中,通過TB以上86%的變形量將鑄態組織中粗大的柱狀晶、等軸晶充分破碎細化。然后在TB以下 30℃ ~50℃之間采用兩種工藝進行鍛造,兩種工藝在α+β相區保持相同的變形量。

在中間坯料鍛造過程中,單純采用軸向反復鍛拔鍛造在材料內部形成沿軸向的金屬流線,晶粒破碎不均勻,會造成材料內部的組織結構具有方向性、易形成拉長的α,而換向鑲拔鍛造能夠改善組織均勻性,改善鍛透性,更好的破碎原始坯料組織,消除原始β晶界,使最終鍛造的棒材組織晶粒得到細化,改善橫截面內外組織均勻性[5-6]。TA17鈦合金方棒采用兩種不同的鍛造工藝進行鍛造,工藝1鍛造過程全部采用常規軸向鑲拔鍛造,工藝2鍛造過程采用二次換向鑲拔。

圖1為兩種鍛造工藝下的中間坯料顯微組織。工藝1中間坯料的顯微組織見圖1(a) ,采用了常規的軸向反復鑲拔鍛造,在整個觀察的微觀組織視場中,片層α破碎不充分,相對均勻性要差一些。但從微觀組織看仍為初生α + β轉,初生α晶粒為等軸α或拉長的α,局部區域仍有未破碎的少量片狀α。工藝2中間坯料的顯微組織見圖1(b)。采用二次換向反復鍛拔鍛造,換向徽拔鍛造有利于材料成分和組織的均勻,在整個觀察視場片層α破碎較為充分,也相對較為均勻,微觀組織為初生α+β轉,初生α晶粒為等軸α,屬于較為均勻的等軸組織。

兩種鍛造工藝成品方棒顯微組織對比

工藝1、工藝2均采用830℃ x60minAC的熱處理方案。通過熱處理后的方棒微觀組織觀察分析可以看出,雖然在(α +β)區域兩種工藝變形量相同,微觀組織均為均勻的等軸α,但兩種工藝下的等軸α晶粒的大小、均勻性差別較為明顯,如圖2所示。圖2(b)所顯示的組織為細小均勻的球狀α,說明在(α +β)區域相同的變形量,采用換向麻拔鍛造能夠進一步改善α相形貌使其更加的均勻,從而得到細小均勻的等軸α組織,α相平均直徑在20um左右。圖2(a)組織同樣是細小均勻的球狀α,但其均勻性和晶粒尺寸與工藝2相比均沒有工藝2鍛造的組織均勻性好,α相平均直徑在35um左右,晶粒細化程度明顯低于工藝2。這就說明換向鈦拔鍛造能夠較好的改善鍛透性,晶粒的破碎會更加充分,也更加能夠得到較均勻的組織。

兩種鍛造工藝對力學性能的影響

細小均勻的等軸α具有更高的塑性和較高的斷面收縮率",由圖2中顯微組織明顯看出工藝2方棒組織中等軸α明顯比工藝1組織中等軸α更加的細小均勻,這與表2中列出的室溫拉伸性能相一致。工藝2鍛造的TA17鈦合金方棒延伸率和斷面收縮明顯高于工藝1。從表2的室溫拉伸性能試驗數據分析,工藝1鍛造的方棒抗拉強度、屈服強度與工藝2相比均較為接近,工藝2的屈服強度略高,可見TB以上大變形可使鑄態組織和魏氏組織充分的破碎、細化,然后經( α +β)區充分變形可以得到更為均勻組織。

由表2中數據可以看出,工藝2鍛造方棒的室溫拉伸性能數據相差較小。而工藝1鍛造方棒的兩組數據的差別相對較大。這說明換向鈦拔鍛造和軸向鍬拔相比,不僅能夠得到更加細小均勻的等軸組織,而且使方棒的性能也更加均勻,使塑性得到很好的改善189),強塑性獲得較佳匹配,綜合性能得到很大提高。

兩種鍛造工藝對超聲波探傷性能的影響

工藝1、工藝2鍛造的方棒采用便攜式超聲波探傷儀進行超聲波探傷,探傷波形圖見圖3所示。兩種工藝鍛造的TA17鈦合金方棒均達到了GB/T5193-2007中的A探傷要求。一般雜波高的地方一定存在組織不均勻,均勻、細小的等軸組織探傷雜波相對較低[10-"}從圖2中顯微組織分析,采用工藝2鍛造方棒的組織均勻性明顯好于工藝1,這與圖3中所示的超聲波探傷波形圖一致。工藝2鍛造方棒雜波水平低于工藝1雜波15%左右。

結論

1)TA17鈦合金方棒經過相變點以上充分變形后,在α +β兩相區鍛造,在相同的變形量條件下,換向欽拔鍛造的顯微組織、力學性能、超聲波探傷性能均好于常規軸向鍛拔鍛造。

2)從實驗結果分析工藝1和工藝2鍛造的方棒各項指標均較好,工藝2鍛造的方棒等軸α更加細小均勻,延伸率和斷面收縮率也較工藝1好。

3)通過對兩種鍛造工藝產生的方棒的超聲波探傷波形圖中雜波高低的分析,工藝2鍛造方棒的組織均勻性要好于工藝1鍛造的方棒組織均勻性。