TA15鈦合金大鍛件兩種模鍛工藝的組織性能對比研究

大型和特大型壓力機(jī)是衡量一個國家制造能力甚至工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)志，萬噸級以上的壓力機(jī)國際上只 有美國、俄羅斯等少數(shù)國家擁有，如目前國外最大的壓力機(jī)是俄羅斯的7.5萬噸壓力機(jī)[1]，2013 年我國自行研制的8萬噸（800MN）壓力機(jī)已在中國二重萬航模鍛有限公司成功投入使用，成為目前世 界上最大噸位的壓力機(jī)。

眾所周知，航空鍛件特別是鈦合金鍛件的大型化、整體化是其發(fā)展趨勢[2～4]，而大型化整體化對 設(shè)備的要求之一就是壓力機(jī)噸位越來越大，因此，我國8萬噸壓力機(jī)的投入使用，為我國航空航天等領(lǐng)域特大型鍛件制造提供了設(shè)備條件。

目前，大型鈦合金鍛件制備的主導(dǎo)工藝是根據(jù)1MJ鍛錘設(shè)備制訂的，采用800MN壓力機(jī)后，由于 壓力機(jī)噸位增大，可以實(shí)現(xiàn)鍛件每火次大變形量，從而可以減少火次、縮短工藝流程。但工程界最關(guān)心的是 800MN壓力機(jī)制備的鍛件與1MJ鍛錘制備的鍛件在組織和性能上有何差異。

本研究以TA15鈦合金大型鍛件為例，通過航空大型鍛件在800MN壓力機(jī)與1MJ鍛錘制備的鍛件組 織性能對比研究，以期為800MN壓力機(jī)工藝優(yōu)化及挖掘材料工藝潛力奠定基礎(chǔ)。

TA15是比TC4鈦合金室溫強(qiáng)度略高、高溫性能優(yōu)異的近α型鈦合金，并具有良好的熱加工性能，特別 適合制造大型航空模鍛件，因此，在我國航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[5，6]。

針對TA15鈦合金，有研究者研究了等溫模鍛與普通模鍛條件下組織和性能特點(diǎn)[7]，但對于普通模鍛 尤其是大型壓力機(jī)與鍛錘制備的鍛件組織性能對比研究幾乎是空白。

為此，本研究通過同規(guī)格棒材分別采用800MN模鍛壓力機(jī)、1MJ對擊錘制備同一零件的TA15鈦合 金大型模鍛件，并對組織及力學(xué)性能進(jìn)行對比分析。

由于800MN壓力機(jī)壓力大、鍛件變形量大、鍛造火次少，其熱工藝參數(shù)與1MJ對擊模鍛錘不同， 必然導(dǎo)致鍛件組織特征參數(shù)不同，從而影響鍛件的組織性能，因此掌握變形量和變形速率可控的800MN 模鍛壓力機(jī)制備的大型鈦合金鍛件顯微組織特征，為TA15鈦合金乃至其他合金的大型鍛件的制備技術(shù)與廣泛 應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，對提高大型鍛件的質(zhì)量水平具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價值。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

制備大型模鍛件所用材料為TA15鈦合金，其成分為Ti-6.6Al-1.6Mo-2.2V-2.0Zr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％，下同），合金相變點(diǎn)（ｔβ）為９９0±5℃。

利用φ350ｍｍ大規(guī)格TA15鈦合金棒材，分別在800MN壓力機(jī)、1MJ對擊錘上模鍛成形制備大 型TA15鈦 金垂尾梁鍛件，模鍛加熱溫度為相變點(diǎn)以下40℃。

對兩種模鍛條件下的大型鈦合金鍛件進(jìn)行顯微組織與拉伸性能對比分析，包括：1）鍛件橫向低倍組織 ；2）鍛件橫截面由表面至中心高倍組織；3）鍛件室溫及500℃高溫拉伸性能。

以下為敘述簡明，以800MN和1MJ代表兩種設(shè)備。

編號8字開頭的為800MN上的數(shù)據(jù)；1字開頭的為1MJ數(shù)據(jù)。

2、結(jié)果與分析

2.1 800MN和1MJ兩種設(shè)備鍛造后鍛件組織對比

圖1ａ，ｂ分別為利用800MN壓力機(jī)、1MJ對擊錘制備的鍛 件低倍組織形貌。

可以看出，利用兩種設(shè)備鍛造的垂尾梁鍛件低倍均無夾雜、裂紋等缺陷，無明顯粗大晶粒形貌。800 MN鍛件流線更完整，分布更合理。

為分析鍛件組織的均勻性，分別在鍛件橫截面典型位置取樣觀察，取樣示意圖見圖1。

取樣圖上的1，2，3分別代表鍛件表面、過渡區(qū)、中心位置。800MN以81，82，83編號；1MJ以11，12，13編號。

圖2為不同取樣位置顯微組織形貌，縱向看為同種工藝不同位置；橫向看為同一位置不同工藝。通過對 比兩種模鍛條件下鍛件橫截面顯微組織可以看出，兩種工藝下鍛件不同位置均為雙態(tài)組織，且同種工藝下不 同位置處的顯微形貌較為一致，表現(xiàn)出良好的均勻性。

進(jìn)一步比較兩種工藝同一位置下的高倍組織形貌發(fā)現(xiàn)，800MN的鍛件初生α相比例高于1MJ鍛件 ，兩種工藝下初生α相比例相差約10％，800MN鍛件初生α相顆粒比1MJ鍛件更細(xì)小。

2.2 800MN和1MJ鍛件性能對比

為了分析大型鍛件上不同位置的性能均勻性，從鍛件的不同截面上取樣，試樣代表了不同變形量的力學(xué) 性能。

圖3、圖4分別為利用TA15鈦合金鍛件不同取樣部位，室溫拉伸強(qiáng)度和塑性變化曲線；圖5、圖6分別 為500℃室溫拉伸強(qiáng)度和塑性變化曲線；圖7分別是沖擊和斷裂韌度的變化曲線。

綜合比較上述性能可以看出，兩種工藝條件下鍛件不同位置處拉伸性能、沖擊性能和斷裂韌性的不同取 樣位置一致性較好，說明鍛件的組織均勻性較好，相比而言，采用800MN設(shè)備生產(chǎn)的鍛件拉伸性能、沖 擊性能和斷裂韌度略高于1MJ設(shè)備生產(chǎn)的鍛件。

2.3 討論

雖然采用的是相同規(guī)格棒材、制備的是同一尺寸零件的鍛件，但由于模鍛設(shè)備不同，熱工藝參數(shù)則不同 ，為了具有可比性，制備過程中采用相同的鍛造加熱溫度、冷卻條件、鍛件熱處理工藝，不同的是每火次變 形量和變形速率。

800MN壓力機(jī)變形速率約為0.05ｍ/ｓ，1MJ對擊模鍛變形速率約為5m/s，相差約100倍；800MN壓力機(jī)制備鍛件時鍛造加熱火次為2火，1MJ對擊錘鍛造加熱火次為5火，從鍛造火次可以看出，鍛件成形過程中，每火次變形不同，800MN壓力機(jī)每火次變形量約為1MJ對擊錘鍛的2.5倍。鍛件變形過程中熱工藝參數(shù)的不同，導(dǎo)致組織特征參數(shù)不同，組織特征參數(shù)不同，則會表現(xiàn)為鍛件力學(xué)性能的不同。

鍛件在變形過程中會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶過程是由擴(kuò)散機(jī)制主導(dǎo)的熱激活過程。

變形速率低有利于再結(jié)晶的發(fā)生，而再結(jié)晶晶粒尺寸的大小則與變形量密切相關(guān)[8]。

變形量越大，則再結(jié)晶晶粒越小，晶粒越細(xì)小則鍛件的拉伸強(qiáng)度越高、塑性越好、沖擊韌性和斷裂韌性 越高；從初生α相的比例和形態(tài)而言，變形速率越低、變形量越大，初生α相的破碎程度越高，即越細(xì)小；加熱火次多則初生α相的比例少[９]，以上這些熱工藝特點(diǎn)，能夠很好地解釋800MN壓力機(jī)鍛件晶粒尺寸小、初生α相顆粒細(xì)小、初生α相比例高，從而拉伸強(qiáng)度和塑性和韌性高于1MJ鍛件的原因。

3、結(jié)論

（1）相比于1MJ對擊錘，采用800MN壓力機(jī)制備的鍛件塑性流線與鍛件外形貼合更好，分布更 加合理。

（2）800MN制備鍛件，每火次變形量更大、變形速率低，比1MJ鍛件再結(jié)晶晶粒尺寸小、等軸 初生α相比例高、初生α相顆粒細(xì)小。

（3）與1MJ鍛件相比，800MN鍛件的室溫、高溫拉伸性能、沖擊韌性和斷裂韌度優(yōu)于1MJ鍛 件。

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