TA15 是(shi)一種(zhong)近(jin)α 型鈦合金，具有中等(deng)強度(du)、良好的(de)熱穩定性和焊接(jie)性能，廣泛應用于航(hang)空航(hang)天工業。我公司生產的(de)TA15 厚截面鍛件，多品(pin)種(zhong)多批(pi)次存在室(shi)溫強度(du)富裕量不(bu)足(zu)甚至不(bu)合格(ge)問(wen)題，不(bu)但(dan)造成了(le)較嚴重的(de)質(zhi)量損失，還(huan)嚴重影響(xiang)了(le)交付進(jin)度(du)。為解(jie)決TA15 鍛件室(shi)溫強度(du)偏低問(wen)題，本文提出了(le)預備(bei)熱處理的(de)方法(fa)，并進(jin)行了(le)工藝(yi)試(shi)驗，以指導(dao)TA15 鍛件熱加工方案(an)設計。

一、鍛件要求

我公司承制某主機廠的TA15鈦鍛件，其驗收標準(zhun)為型號專(zhuan)用標準(zhun)，室溫(wen)拉伸和室溫(wen)沖(chong)擊(ji)性能要求見表1。根據(ju)標準(zhun)要求，鍛件的顯微組(zu)織應是(shi)經(jing)α+β 兩相(xiang)區(qu)加工后(hou)的均(jun)勻組(zu)織，并以(yi)退火狀態交付，推薦的熱處理制度：750 ～850℃，保溫(wen)1 ～4h，空(kong)冷。

表1 TA15 鍛(duan)件專用標準的室溫力學(xue)性能要(yao)求

二、TA15 鈦合金強化機制

TA15 鈦(tai)(tai)合(he)金主要用(yong)(yong)于飛機大型結構(gou)件，名義成分為(wei)Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。一般認(ren)為(wei)，TA15 合(he)金的強(qiang)化機制主要是(shi)Al 及其他元(yuan)素(su)的固溶強(qiang)化，不能通(tong)過熱處理(li)進行強(qiang)化。因此TA15 鈦(tai)(tai)合(he)金在退火狀態使用(yong)(yong)，此時合(he)金的相組(zu)成是(shi)以(yi)α 相為(wei)基體，含有少量的β 相。然而根據國內研究結果，采(cai)用(yong)(yong)適當的鍛(duan)(duan)造(zao)方法或(huo)熱處理(li)方法，TA15 鈦(tai)(tai)合(he)金鍛(duan)(duan)件強(qiang)度可以(yi)得到一定的提升，舉例如下。

⑴西北有(you)色金屬(shu)研究(jiu)院盧(lu)凱凱《強(qiang)(qiang)韌化熱(re)處理對TA15 鈦合金組織(zhi)和(he)性能的(de)(de)影響》中(zhong)，采用固溶(rong)+普(pu)通退(tui)火的(de)(de)熱(re)處理方式提(ti)高(gao)了TA15 鍛件的(de)(de)強(qiang)(qiang)度，其主(zhu)要研究(jiu)成(cheng)(cheng)果：固溶(rong)階段的(de)(de)近(jin)β 相快(kuai)速(su)水冷保留了組織(zhi)中(zhong)的(de)(de)晶(jing)體(ti)缺(que)陷，這些晶(jing)體(ti)缺(que)陷處為片狀α 相形(xing)核提(ti)供了大量的(de)(de)形(xing)核中(zhong)心(xin)。在(zai)第二道(dao)退(tui)火過程(cheng)中(zhong)，片狀α 相形(xing)核并長大，最(zui)終形(xing)成(cheng)(cheng)由約(yue)20%的(de)(de)初生(sheng)等軸α相和(he)編織(zhi)交錯(cuo)的(de)(de)片狀α 相，以及β 相轉變基(ji)體(ti)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)三態組織(zhi)。三態組織(zhi)在(zai)具有(you)較高(gao)的(de)(de)塑性的(de)(de)條(tiao)件下，同時可以保持足夠(gou)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度。

⑵寶鈦(tai)集(ji)團郭志(zhi)軍《變形(xing)參數對TA15 合(he)(he)金厚板顯(xian)微組(zu)織及力(li)學性(xing)能的(de)(de)影響》中(zhong)，采用β 開(kai)坯(pi)+(α+β)大(da)變形(xing)鍛(duan)造的(de)(de)方式提高了TA15 板材的(de)(de)強度，其主要研究結果：對于(yu)TA15 鈦(tai)合(he)(he)金,經過β區變形(xing)可獲得魏(wei)氏組(zu)織或網籃狀加工(gong)組(zu)織，具有較(jiao)高的(de)(de)斷(duan)裂韌性(xing)，但塑性(xing)較(jiao)差；此類組(zu)織再經過較(jiao)大(da)的(de)(de)a+β 相區變形(xing),可獲得細小(xiao)等軸的(de)(de)a+β 加工(gong)組(zu)織，對應優良的(de)(de)綜合(he)(he)性(xing)能。

三、優化思路

綜上研究結果來看，顯微組織中較多的片狀α且破碎程度較高時，鈦鍛件將(jiang)獲得較高的(de)強度。然而，根據生(sheng)產經(jing)驗(yan)，若(ruo)采用(yong)固溶(rong)+時效熱(re)處理，復雜長軸類鍛件極易變形導致報(bao)廢(fei)；若(ruo)采用(yong)β 開坯+(α+β)大變形鍛造，鍛件顯微組織中初生(sheng)α 相含量較少，顯微組織不合(he)格的(de)風(feng)險很(hen)大。

為(wei)了提高強度(du)(du)，國內有廠家采用(yong)近(jin)(jin)等溫鍛(duan)(duan)造。該工藝的(de)主要(yao)實施(shi)方法是：在(zai)鍛(duan)(duan)造中(zhong)前幾火次采用(yong)(Tβ-30)～(Tβ-50)℃較(jiao)低加熱溫度(du)(du)，最(zui)后一火次采用(yong)(Tβ-10)～(Tβ-30)℃的(de)較(jiao)高加熱溫度(du)(du)，可將其(qi)顯微組織初(chu)生(sheng)α 相含(han)量控制在(zai)20%～30%的(de)范圍內，以獲得較(jiao)高的(de)強度(du)(du)。但近(jin)(jin)等溫鍛(duan)(duan)造過(guo)程中(zhong)，鍛(duan)(duan)造溫度(du)(du)接近(jin)(jin)相變溫度(du)(du)，鍛(duan)(duan)造過(guo)程中(zhong)的(de)反熱現象導致TA15 鈦合(he)金鍛(duan)(duan)件(jian)產(chan)生(sheng)過(guo)燒風險急(ji)劇增加，控制不當便會導致鍛(duan)(duan)件(jian)整(zheng)批報廢(fei)。

為此，公司技術(shu)團隊提出一種設想(xiang)：在(zai)鍛造的最終(zhong)火(huo)次前(qian)，對坯料(liao)進行近β 熱處(chu)理，析出更多的片(pian)狀α 相(xiang)；最終(zhong)火(huo)次采(cai)用(yong)較大變形，增加(jia)片(pian)狀α 相(xiang)的破(po)碎程度。該方(fang)法(fa)主要有(you)如下優(you)點。

最終火(huo)次前進(jin)(jin)行(xing)近(jin)β 熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)，加(jia)熱(re)(re)溫度選(xuan)(xuan)用(Tβ-25)℃，加(jia)熱(re)(re)設(she)備選(xuan)(xuan)用II 類高溫電(dian)爐(lu)。近(jin)β 加(jia)熱(re)(re)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，坯料(liao)顯微組(zu)織中(zhong)(zhong)大(da)多初(chu)生(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)將轉變為β相(xiang)(xiang)(xiang)。在(zai)近(jin)β 加(jia)熱(re)(re)后(hou)的空冷過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，大(da)多轉變的β 相(xiang)(xiang)(xiang)將重新(xin)析出片(pian)條狀α 相(xiang)(xiang)(xiang)；在(zai)近(jin)β 加(jia)熱(re)(re)后(hou)的水冷過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，大(da)多轉變的β 相(xiang)(xiang)(xiang)將重新(xin)析出針狀α 相(xiang)(xiang)(xiang)。無論片(pian)條狀α 相(xiang)(xiang)(xiang)還是(shi)針狀α 相(xiang)(xiang)(xiang)，在(zai)最終火(huo)次的加(jia)熱(re)(re)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，都會(hui)長(chang)大(da)，并(bing)在(zai)變形(xing)的過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)被擊(ji)碎，進(jin)(jin)而達到強化(hua)作用。該方法鍛(duan)造(zao)后(hou)仍采用普通(tong)退火(huo)熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)，相(xiang)(xiang)(xiang)比固溶+時效熱(re)(re)處(chu)理(li)(li)，可降低復雜長(chang)軸類鍛(duan)件(jian)的變形(xing)程(cheng)(cheng)度；該方法鍛(duan)件(jian)顯微組(zu)織中(zhong)(zhong)仍會(hui)剩余約15%～35%的初(chu)生(sheng)α 相(xiang)(xiang)(xiang)，可滿(man)足標準要(yao)求；該方法最終火(huo)次的變形(xing)溫度仍控制在(zai)(Tβ-30)～(Tβ-50)℃，可有效避免鍛(duan)造(zao)溫升產生(sheng)的粗晶問(wen)題(ti)。

四、工藝試驗

1、試驗材料

采用TA15 鈦合(he)金φ100mm 規格圓棒材(cai)，測定其(qi)相變點(dian)溫(wen)度為Tβ=(997±3)℃；按標準要求對材(cai)料進(jin)行(xing)復驗，其(qi)力學性能指標見表2。

表2 某棒(bang)材力(li)學性(xing)能入廠實測指標

2、試驗方案

⑴下φ100mm×180mm 規格料(liao)3 件，編號試驗件A/B/C。

⑵對試(shi)驗件(jian)A/B 進行近β 熱(re)處理(li)，熱(re)處理(li)制度如(ru)下：①試(shi)驗件(jian)A：(Tβ-25)℃±5℃，保(bao)溫120min，流(liu)動清水冷卻；②試(shi)驗件(jian)B：(Tβ-25)℃±5℃，保(bao)溫120min，空冷。

⑶對(dui)試驗(yan)件A/B/C 進行(xing)鐓(dui)粗(cu)(cu)(cu)鍛造，要求如下：①加熱溫(wen)(wen)度：(Tβ-45)℃±10℃，保(bao)溫(wen)(wen)100min；②出爐后采用1000t 快鍛機進行(xing)鐓(dui)粗(cu)(cu)(cu)，高度180mm 鐓(dui)粗(cu)(cu)(cu)至(zhi)100mm；鐓(dui)粗(cu)(cu)(cu)過(guo)程(cheng)一次成(cheng)形(xing)，下壓(ya)速度控(kong)制(zhi)50 ～60mm/s。

⑷鍛造結束(shu)后(hou)，對試驗(yan)件(jian)A/B/C 進行退火(huo)處理。退火(huo)制度：840℃保溫3h，空冷(leng)。

⑸按(an)試驗專用取樣圖要求檢測縱(zong)向室溫(wen)拉伸(2根(gen)(gen))、縱(zong)向室溫(wen)沖擊(2根(gen)(gen))、橫向室溫(wen)拉伸及沖擊(1/2厚度2 根(gen)(gen)，1/4 厚度2 根(gen)(gen))，過軸心低倍、心部和表皮高(gao)倍。工藝試驗件解剖圖如圖1 所示。

圖1 工藝試(shi)驗件解剖圖

3、結果和分析

⑴顯微(wei)組(zu)織(zhi)對比如(ru)圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7 所示。

圖2 工藝試(shi)驗件A 表(biao)層高倍(bei)(等軸α 相含量10%～20%)

圖(tu)3 工(gong)藝(yi)試驗(yan)件A 心部高倍(等(deng)軸α 相含量30%～40%)

圖4 工(gong)藝(yi)試驗(yan)件(jian)B 表(biao)層高倍(等(deng)軸α 相(xiang)含(han)量15%～25%)

圖5 工藝試驗件(jian)B 心部高倍(bei)(等軸α 相(xiang)含量20%～30%)

圖(tu)6 工藝試驗件C 表層高倍(等軸α 相含量30%～35%)

圖(tu)7 工藝試驗件C 心部(bu)高(gao)倍(等(deng)軸α 相(xiang)含量50%～60%)

從高(gao)倍組織來看，采用近β 加(jia)熱(re)+水冷/空冷預(yu)備熱(re)處理后，鍛件高(gao)倍組織中等軸α 相明(ming)(ming)顯減少，破碎(sui)的(de)片狀α 相明(ming)(ming)顯增加(jia)，同樣大小(xiao)高(gao)倍視場中的(de)總α 晶粒數量明(ming)(ming)顯增加(jia)，達到了設(she)計目(mu)的(de)。而常(chang)規(gui)鍛造后的(de)鍛件，初生α相明(ming)(ming)顯較多，且條狀α相很少。

⑵低倍組織對比如圖(tu)8、圖(tu)9、圖(tu)10 所示。

圖(tu)8 工藝試驗件A 低倍組(zu)織(zhi)

圖9 工藝試驗件B 低(di)倍(bei)組(zu)織(zhi)

圖10 工(gong)藝試(shi)驗(yan)件(jian)C 低倍組織

從低倍組織來看，采(cai)用(yong)近(jin)β 加(jia)熱(re)+水冷(leng)/空冷(leng)預備熱(re)處理(li)，與常規鍛造方法無明顯差(cha)異，未出現粗(cu)晶或組織不(bu)均(jun)勻(yun)等低倍問題。

⑶性能對比。

表3 是3 個試驗件相(xiang)同取(qu)樣位置的(de)室溫縱(zong)向力學(xue)性(xing)能(neng)對比。從性(xing)能(neng)結(jie)果來看，相(xiang)比較常規(gui)鍛造(zao)，鍛前采用近β 加(jia)熱+水冷/空冷預備熱處理后，鍛件強度(du)總體高于(yu)常規(gui)鍛造(zao)，強度(du)提高平(ping)均約20MPa，塑性(xing)略有降低但相(xiang)對標準要求(qiu)仍有較大(da)的(de)富裕(yu)量，達到了(le)設計(ji)目的(de)。

表(biao)3 工藝(yi)試驗件(jian)室溫力學(xue)性能結果

五、結論

⑴鍛前增加近β 熱處理(li)，可有(you)效降低鍛件(jian)顯微組織中初生α 相含(han)(han)量(liang)并(bing)提升片狀α 相含(han)(han)量(liang)，且片狀α 相破碎程度較高。

⑵鍛前增(zeng)加近β 熱處(chu)理，可(ke)提升鍛件(jian)(jian)的(de)(de)室溫強度(du)，同時對鍛件(jian)(jian)塑性和韌性的(de)(de)影響不大。