引言

超(chao)(chao)塑(su)(su)(su)成(cheng)(cheng)形(xing)/擴散連接(jie)(jie)（SPF/DB)技(ji)(ji)術(shu)(shu)以(yi)(yi)其獨特的(de)(de)(de)(de)(de)優越性(xing)(xing)已經迅速發(fa)展成(cheng)(cheng)為(wei)世界范圍內(nei)廣泛應用的(de)(de)(de)(de)(de)鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)先(xian)進成(cheng)(cheng)形(xing)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，作為(wei)航空航天(tian)領域大(da)(da)型整(zheng)體復雜板(ban)材(cai)(cai)(cai)構(gou)件(jian)(jian)成(cheng)(cheng)形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)技(ji)(ji)術(shu)(shu)之一(yi)，對結(jie)構(gou)減重有著(zhu)舉(ju)足輕重的(de)(de)(de)(de)(de)作用[1_2]。而細(xi)晶鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)板(ban)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)是(shi)決(jue)定SPF/DB鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)零(ling)件(jian)(jian)能(neng)(neng)(neng)否成(cheng)(cheng)熟(shu)應用的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)，細(xi)晶板(ban)材(cai)(cai)(cai)制備(bei)技(ji)(ji)術(shu)(shu)也是(shi)國(guo)際上(shang)最(zui)受關注的(de)(de)(de)(de)(de)鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)加(jia)工(gong)前沿技(ji)(ji)術(shu)(shu)，目前能(neng)(neng)(neng)夠穩(wen)(wen)定批量(liang)生產(chan)寬幅超(chao)(chao)塑(su)(su)(su)性(xing)(xing)鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)板(ban)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)(de)(de)(de)國(guo)家僅有美國(guo)和(he)俄羅斯。TA15鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)具(ju)有較好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)工(gong)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，良好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)綜合(he)(he)(he)(he)(he)力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)以(yi)(yi)及工(gong)藝性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，與TC4鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)相比，有著(zhu)較高的(de)(de)(de)(de)(de)強度和(he)較好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)焊接(jie)(jie)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，主要(yao)應用于(yu)發(fa)動機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)葉(xie)片、機(ji)匣，飛機(ji)機(ji)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)鈑(ban)金(jin)(jin)件(jian)(jian)、梁、接(jie)(jie)頭(tou)、大(da)(da)型壁(bi)(bi)板(ban)、焊接(jie)(jie)承力框等[3]。近年(nian)來，隨(sui)著(zhu)超(chao)(chao)塑(su)(su)(su)成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展，TA15鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)超(chao)(chao)塑(su)(su)(su)性(xing)(xing)板(ban)材(cai)(cai)(cai)已經用于(yu)制備(bei)四層結(jie)構(gou)翼(yi)面(mian)、承力壁(bi)(bi)板(ban)等關鍵(jian)零(ling)部(bu)件(jian)(jian)[4]。但(dan)是(shi)目前國(guo)內(nei)制備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)晶TA15鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)板(ban)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)(de)(de)(de)晶粒度以(yi)(yi)及各(ge)向(xiang)異性(xing)(xing)控制水平(ping)還相對較差(cha)。這主要(yao)是(shi)由于(yu)超(chao)(chao)塑(su)(su)(su)成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝的(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)(wen)定性(xing)(xing)難以(yi)(yi)控制，導致超(chao)(chao)塑(su)(su)(su)成(cheng)(cheng)形(xing)零(ling)部(bu)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)極(ji)(ji)不穩(wen)(wen)定，且成(cheng)(cheng)品率較低，極(ji)(ji)大(da)(da)限(xian)制了細(xi)晶鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)板(ban)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)(de)(de)(de)廣泛應用。

為此，對細晶TA15鈦合金板材(cai)的制備工藝進行(xing)研(yan)究，分析由(you)不同制備工藝得到的板材(cai)的顯微組織和力學(xue)性(xing)能(neng)，以期為TA15鈦合金(jin)超塑性(xing)板材(cai)的成熟應用奠定(ding)工藝技術基(ji)礎。

1、實驗

實驗以TA15鈦合金(jin)板坯(pi)為(wei)(wei)原料(liao)，相變溫度(du)為(wei)(wei)990T，化學成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)(fen)(fen)(fen)（質(zhi)量分(fen)(fen)(fen)(fen)數）為(wei)(wei)A16.66%，Mo1.66%，V2.20%，Zr2.08%，余量為(wei)(wei)Ti。首先將板坯(pi)在2800mm四輥(gun)可逆熱(re)乳(ru)(ru)機(ji)上進(jin)行兩火(huo)(huo)次熱(re)乳(ru)(ru)，得(de)(de)(de)到厚度(du)為(wei)(wei)20mm的(de)(de)(de)半(ban)(ban)成(cheng)(cheng)(cheng)品板坯(pi)，兩火(huo)(huo)次的(de)(de)(de)變形量分(fen)(fen)(fen)(fen)別為(wei)(wei)71%和69%。再對其中一部分(fen)(fen)(fen)(fen)半(ban)(ban)成(cheng)(cheng)(cheng)品板坯(pi)進(jin)行β淬火(huo)(huo)，另(ling)一部分(fen)(fen)(fen)(fen)不作處理。然(ran)后對2種半(ban)(ban)成(cheng)(cheng)(cheng)品板埋(mai)分(fen)(fen)(fen)(fen)另(ling)U進(jin)行單向乳(ru)(ru)制(zhi)和換向乳(ru)(ru)制(zhi)，得(de)(de)(de)到4mm厚半(ban)(ban)成(cheng)(cheng)(cheng)品板坯(pi)，之后進(jin)行包(bao)覆疊乳(ru)(ru)，并經退火(huo)(huo)及(ji)表(biao)面處理后，得(de)(de)(de)到尺寸(cun)為(wei)(wei)1.2mm×1200mm×2500mm的(de)(de)(de)寬幅TA15鈦合金(jin)板材(cai)。板材(cai)的(de)(de)(de)具(ju)體制(zhi)備方(fang)案如表(biao)1所示(shi)。

用0LYMPUS-PMG3光學顯微鏡對(dui)板(ban)材(cai)分別進行(xing)T向(xiang)和(he)L向(xiang)的(de)顯微組織(zhi)觀察。用微機(ji)控制電子(zi)萬(wan)能(neng)試驗機(ji)對(dui)板(ban)材(cai)T向(xiang)和(he)L向(xiang)的(de)室溫拉伸(shen)性能(neng)進行(xing)測試。

選擇顯微組織最為均勻細小的板材進行超塑性拉伸試驗，試驗設備為國產CSs^-11100非恒定應變速率電子拉伸試驗機，采用電阻爐加熱，通過連接在爐內加熱區上、中、下3個位置的3根熱電偶測量溫度，并精確控制爐溫（誤差不超過±31)。超塑性能測試按照GB/T24172—2009標準執行，試樣尺寸如圖1所示。由于板材厚度尺寸較小，容易在拉伸固定孔處變形，導致板材拉伸試驗失敗，故在板材樣品兩端部雙面點焊加固板。焊接后按照圖示尺寸鉆孔，以保證拉伸固定孔對準。由于鈦合金在熱變形時容易產生氧化層，影響試驗結果，故拉伸試驗前在試樣表面涂覆玻璃潤滑劑。選擇850、885、920T3個溫度，0.001、0.01s^-12個初(chu)始應變速(su)率進(jin)行超塑性拉伸試(shi)驗。

2、結果與討論

2.1顯微組織

不同(tong)工藝制備的(de)TA15鈦合(he)金板(ban)材T向和(he)L向的(de)顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)如圖2所示。分別比較(jiao)(jiao)(jiao)由工藝A、C及B、D制備的(de)板(ban)材T向和(he)L向的(de)顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)，研究0淬(cui)(cui)火對板(ban)材顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)的(de)影響。可以發現，增加(jia)P淬(cui)(cui)火工藝后，板(ban)材的(de)顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)為均勻(yun)，且(qie)晶粒尺寸(cun)較(jiao)(jiao)(jiao)小。0淬(cui)(cui)火工藝包(bao)括(kuo)2個主要過程，首先將(jiang)板(ban)材加(jia)熱至相變溫度(du)以上(shang)并(bing)保溫，由于前序乳制火次(ci)中(zhong)，板(ban)材

積累(lei)了(le)變(bian)(bian)形(xing)能，次(ci)生(sheng)a相粗化(hua)(hua)及球化(hua)(hua)，發生(sheng)靜態再結(jie)晶，實現將板材(cai)未充分變(bian)(bian)形(xing)的(de)(de)組織在(zai)高溫環境中均(jun)勻化(hua)(hua)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)；之后(hou)將板材(cai)水冷，析(xi)出過飽和馬氏體，在(zai)后(hou)續乳(ru)制工序(xu)中，馬氏體在(zai)大變(bian)(bian)形(xing)量變(bian)(bian)形(xing)中斷(duan)裂(lie)并球化(hua)(hua)，實現組織細化(hua)(hua)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)[5]。

分別比較(jiao)(jiao)(jiao)工(gong)(gong)藝方案A、B及C、D制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備的板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)T向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)L向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的顯微組(zu)織，研(yan)究換向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)對TA15鈦合金板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)顯微組(zu)織的影響。可以發(fa)現(xian)，單(dan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)的板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)橫(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顯微組(zu)織差(cha)(cha)異較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，各向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)異性較(jiao)(jiao)(jiao)為明顯；換向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)后，板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)橫(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顯微組(zu)織差(cha)(cha)異較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)。采(cai)用單(dan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)軋制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)時，板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)在軋制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)不發(fa)生(sheng)變(bian)(bian)化，晶粒在乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)沿(yan)(yan)一(yi)個方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)形(xing)，導致橫(heng)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顯微組(zu)織差(cha)(cha)異較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)，板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)加(jia)工(gong)(gong)流(liu)線明顯，板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)表面沿(yan)(yan)乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)會產生(sheng)“條絨溝(gou)”。采(cai)用換向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)能(neng)夠(gou)顯著減小(xiao)橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)和(he)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)形(xing)量的差(cha)(cha)距，使晶粒得到比較(jiao)(jiao)(jiao)均勻(yun)的變(bian)(bian)形(xing)，改善(shan)板(ban)(ban)(ban)材(cai)(cai)(cai)因單(dan)方向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)(bian)形(xing)量較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(da)乳(ru)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)形(xing)成的織構、加(jia)工(gong)(gong)流(liu)線等不利于均勻(yun)性的組(zu)織缺陷，組(zu)織均勻(yun)性高。

2.2室溫性能

對4種不同工藝(yi)制備(bei)的TA15鈦合金(jin)板(ban)材進行室溫(wen)力學性(xing)能(neng)(neng)測試，結(jie)果見表2。從測試結(jie)果可(ke)以(yi)發現：由工藝(yi)A制備(bei)的板(ban)材室溫(wen)拉伸強(qiang)(qiang)度(du)(du)較(jiao)低(di)，且(qie)橫縱向性(xing)能(neng)(neng)差距較(jiao)大；由工藝(yi)B、C制備(bei)的板(ban)材強(qiang)(qiang)度(du)(du)相對于工藝(yi)A的強(qiang)(qiang)度(du)(du)較(jiao)高，橫縱向性(xing)能(neng)(neng)差異有所改善；由工藝(yi)D制備(bei)的板(ban)材強(qiang)(qiang)度(du)(du)最高，并且(qie)橫縱向性(xing)能(neng)(neng)差異最小(xiao)。

結合(he)圖2可知，由工藝(yi)D制備的TA15鈦合(he)金板(ban)材(cai)的晶粒(li)尺寸(cun)最小，顯微組(zu)織最為(wei)均(jun)勻，故晶粒(li)細化可以提高(gao)板(ban)材(cai)的拉伸強度(du)。而其(qi)他工藝(yi)制備的板(ban)材(cai)由于(yu)組(zu)織較(jiao)為(wei)粗大，且均(jun)勻性較(jiao)差，強度(du)也(ye)較(jiao)低。

此外，P淬(cui)火(huo)和換向軋制都可以(yi)提高板材(cai)(cai)顯微組織的均(jun)勻性，所以(yi)工藝(yi)B、C制備的板材(cai)(cai)強度相對于工藝(yi)A的橫(heng)縱(zong)向力學性能差(cha)(cha)異較小，工藝(yi)D制備的板材(cai)(cai)橫(heng)縱(zong)向性能差(cha)(cha)異最(zui)小。

2.3超塑性能

對工藝D制備的TA15鈦合金板材進行(xing)L向超塑(su)性(xing)拉(la)(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)驗(yan)，試(shi)(shi)驗(yan)后的試(shi)(shi)樣如圖3所(suo)示。從圖中可以看出，不同拉(la)(la)(la)伸(shen)(shen)條件下(xia)，板材均具有(you)超塑(su)性(xing)，說(shuo)明(ming)采用工藝D制(zhi)備(bei)(bei)的板材滿足超塑(su)成(cheng)形制(zhi)備(bei)(bei)的基本要求。對拉(la)(la)(la)伸(shen)(shen)試(shi)(shi)樣的延(yan)伸(shen)(shen)率進行(xing)計算，結果(guo)(guo)如表3所(suo)示。從計算結果(guo)(guo)可以發現：在(zai)850T試(shi)(shi)驗(yan)溫度(du)下(xia)，試(shi)(shi)樣的延(yan)伸(shen)(shen)率可達1311%，說(shuo)明(ming)在(zai)較低試(shi)(shi)驗(yan)溫度(du)下(xia)，板材依(yi)然擁有(you)較為優異的超塑(su)性(xing)能。在(zai)850~9201范(fan)圍內，應(ying)變速(su)率為0.01時，試(shi)(shi)樣的延(yan)伸(shen)(shen)率可達1100%，說(shuo)明(ming)在(zai)較高應(ying)變速(su)率下(xia)，板材依(yi)然有(you)較好的超塑(su)性(xing)能。

此外(wai)，從拉(la)(la)伸試驗數據還可以看出，試樣的超塑性能對(dui)(dui)拉(la)(la)伸溫度和拉(la)(la)伸應變速(su)率均較為敏感(gan)。不同(tong)的應變速(su)率下，溫度對(dui)(dui)超塑性能的影響規律不同(tong)。

在應變速率為0.01s^-1時，隨著溫度的升高，超塑性拉伸延伸率呈先升后降的趨勢，885T時，超塑性拉伸延伸率達到峰值。在應變速率為0.001s^-1時(shi)，隨著溫(wen)度升高，超塑性拉伸延伸率呈(cheng)下降趨勢。

板材超塑性拉伸過程中，一方面，隨著溫度升高，應變激活能增加，晶界滑移較為容易，導致延伸率升高；另一方面，溫度的升高會導致晶粒長大，晶界滑移所需應變能增加，晶界滑移率較低，導致延伸率降低。這兩方面的共同作用使得在不同應變速率下溫度對超塑性能的影響規律不同。當應變速率為0.01s^-1時，由于超塑性拉伸速率相對較快，在溫度小于920T時，溫度升高導致的晶粒長大效果較不明顯，晶界滑移占主導作用，所以延伸率升高；當溫度升高至920T時，溫度接近再結晶終了溫度，晶粒長大占主導作用，導致延伸率降低。當應變速率為0.001s^-1時(shi)，由(you)于超塑(su)性拉伸速率相對較(jiao)慢(man)，晶界(jie)滑移較(jiao)為緩慢(man)，但是拉伸時(shi)間(jian)很長，晶粒(li)在長時(shi)間(jian)高溫作用下逐漸長大(da)，所以，晶粒(li)長大(da)占主(zhu)導作用，導致延(yan)伸率降低。

不(bu)同應(ying)變(bian)速率下材料超(chao)塑(su)性拉伸(shen)的(de)延伸(shen)率峰值不(bu)同，當應(ying)變(bian)速率較低時，超(chao)塑(su)性拉伸(shen)延伸(shen)率的(de)峰值溫度大(da)(da)大(da)(da)降低，這對于超(chao)塑(su)成形工藝參(can)數的(de)設計具有重(zhong)要的(de)參(can)考意義。在實際生(sheng)產中，可以通過降低應(ying)變(bian)速率的(de)方式，降低超(chao)塑(su)成形溫度，從而大(da)(da)大(da)(da)降低模具費用(yong)，減少(shao)零件過熱風險，縮短加工周期，提高生(sheng)產效率和生(sheng)產質量(liang)。

3、結論

(1)增加P淬火工藝，可以(yi)提高TA15鈦(tai)合金(jin)板(ban)材(cai)顯微組織的(de)均勻性，細化晶(jing)粒尺寸，提高板(ban)材(cai)的(de)室溫(wen)拉伸強度。

(2)采用換向(xiang)乳制工藝，能夠顯著減小TA15鈦合金板材橫縱(zong)向(xiang)組(zu)織差(cha)異，提高(gao)組(zu)織均(jun)勻性，使(shi)板材橫縱(zong)向(xiang)性能差(cha)異減小。

(3)由工藝D制備的TA15鈦合金板材在850?920T、0.001?0.01s-¹的超塑性拉伸試驗條件下，板材具有超塑性。而且在較低溫度（850℃)或較高應變速率(0.01s^-1)條件(jian)下，板材依然有較(jiao)好(hao)的(de)超塑(su)性能(neng)。

(4)TA15鈦合金板材(cai)試樣的超(chao)塑(su)性能對(dui)拉伸溫度和拉伸應變速率均較為(wei)敏感。不同(tong)的應變速率下，溫度對(dui)超(chao)塑(su)性能的影響規律不同(tong)。

參考文獻

[1]李(li)志強，郭和平.超塑成(cheng)形(xing)/擴散連接技術的應用進(jin)展和發展趨勢(shi)[J].航空制造技術，2010(8):32-35.

[2]于(yu)衛新，李淼泉，胡一(yi)曲.材料超塑性和超塑成(cheng)形/擴散連接(jie)技術及應用[J].材料導(dao)報：綜述篇，2009,23(6)：8-14.

[3]黃伯云，李成功(gong)，石力開，等.中國材料工(gong)程大典(第4卷(juan)）[M].北京：化(hua)學工(gong)業出版社，2005:566-577.

[4]許平，王募，蘇智星.TA15鈦合金超塑成形/擴散連接的可行性研(yan)究[J].鈦工業進展，2014,31(4):16-19.

[5]王蕊寧，王興(xing)，鄧家彬，等.TA15鈦合金片層狀組織的球化行為[J].熱加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝，2014,43(22):57-59.