TA24鈦合金大規(guī)格餅材工藝研究

TA24鈦合金(Ti-3Al-2Mo-2Zr)是近α型鈦合金的代表，又被稱為Ti75合金。其中，3%的穩(wěn)定元素Al為α相起固溶強化的作用，為其堅固性打下堅實基礎(chǔ)；而2%的穩(wěn)定元素Mo則強化了β相，并改善了材料塑性，使其在加工過程中展現(xiàn)出優(yōu)越的靈活性和可塑性。此外，Zr這一中性合金元素的加入，為合金的焊接性能提供了保障。

TA24鈦合金的主要半成品形式多樣，包括棒材、管材、板材、餅件、絲材和型材等，滿足了不同領(lǐng)域的需求。本文核心關(guān)注的是TA24鈦合金高性能大規(guī)格餅材工藝研究，通過剖析不同熱處理條件對其組織結(jié)構(gòu)及性能的影響，為工業(yè)制造中設(shè)定合適的工藝參數(shù)、加工方法和工藝流程奠定了初步基礎(chǔ)。

一、餅材的鍛造工藝

1、餅材制備

本試驗材料為TA24鈦合金，鑄錠經(jīng)3次真空自耗熔煉，鑄錠重量為5940kg，加熱溫度為1050～1100℃，在寶鈦集團萬噸鍛壓機上進行鍛造開坯，冷卻后經(jīng)修磨、機加等，得到表面質(zhì)量合格的、規(guī)格為φ1861mm×197mm的大規(guī)格餅材。鑄錠的化學(xué)成分見表1。

2、鍛餅工藝

鑄錠經(jīng)過總鍛造比大于30的自由鍛造后，繼續(xù)用箱式電阻爐加熱，在萬噸自由鍛造油壓機上鍛造。在α+β兩相區(qū)鍛造過程中經(jīng)歷了多輪兩鐓兩拔變形，使材料沿徑向擴展至接近八方形截面；隨后再次鐓粗，沿徑向再次拔長、滾圓，確保鐓拔后的餅材軸向盡量與原始坯料的軸向一致或者近似；繼續(xù)加熱后鐓粗，然后勻正滾圓，拍平成φ861mm×197mm的餅材。鍛造完成后按照規(guī)范，采用線切割獲取樣品，經(jīng)過精密機械加工后，對室溫下的拉伸性能、微觀組織結(jié)構(gòu)以及斷裂韌性進行檢測和評估。

二、試驗結(jié)果與討論

1、顯微組織

本次試驗是在700～900℃溫度區(qū)間退火制度下進行，如圖1所示，隨著熱處理溫度的上升，α相呈現(xiàn)長大勢態(tài)，但長大的趨向不明顯，初生α相的含量減少，部分α相逐步溶解到β基體中；次生α相溶解到β基體中形成明顯的片層組織，如圖1(d)所示。當熱處理溫度達到900℃時，由于溫度接近相變溫度，β基體進行合金元素的再分配，片層組織也隨之消失。

2、力學(xué)性能

在700℃、750℃、800℃、850℃以及900℃溫度下，進行室溫下的拉伸測試，結(jié)果見表2。

從試驗數(shù)據(jù)圖2所示的趨勢中觀察到，隨著熱處理溫度的提升，抗拉強度和屈服強度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，尤其是在750℃和800℃階段，兩者強度表現(xiàn)出趨于相近的水平。在700～750℃區(qū)間，隨著片層α相厚度的增加，導(dǎo)致內(nèi)部位錯滑移，而α/β相界面對強化效應(yīng)的減弱也起著負面影響。同時，晶粒尺寸的增長使得位錯滑動的空間變得更長，從而削弱了材料的強度。然而，當溫度升高至800℃，雖然β轉(zhuǎn)變組織中少量粗大的片層α相具有一定的塑性變形潛力，但大量細小的α相內(nèi)部的滑移卻變得難以進行，發(fā)生塑性變形的難度增大，并且增強了界面強化的效果，因此強度略有下降。當溫度進一步升高至850～900℃時，細小α相完全溶解，等軸α相的比例逐漸減少，伴隨著晶粒整體尺寸的逐漸增大，不僅增加了位錯的有效滑移距離，也顯著地降低了材料的強度。

如圖3所示，斷后伸長率和斷面收縮率隨溫度的升高呈增長趨勢，但總體來看，斷后伸長率和斷面收縮率變化較小。在750～800℃的條件下，盡管等軸α相的體積占比保持穩(wěn)定，但其延伸率受片層α相形態(tài)的影響顯著。當溫度提升至850℃，觀察到片層α相的厚度有所增大，這導(dǎo)致材料的塑性增強。到了900℃，盡管晶粒尺寸略有增大，但等軸α相的體積分數(shù)繼續(xù)減小，這反而使得延伸率相應(yīng)的略有下降。

不同熱處理溫度后TA24鈦合金的沖擊性能如圖4所示。隨著溫度的上升，沖擊韌性呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，在沖擊測試樣本的斷裂過程中，能量關(guān)鍵被三個部分吸收，即裂紋形成、亞臨界擴展和斷裂能。對于兩相鈦合金，等軸α相體積分數(shù)以及β轉(zhuǎn)變組織的相關(guān)參數(shù)都會對其沖擊韌性產(chǎn)生影響。較高的等軸α相含量可使裂紋容易穿過，導(dǎo)致裂紋擴展路徑較為平直，不利于裂紋擴展功的提高。同時，晶粒尺寸和層狀α相的厚度也會影響裂紋擴展的曲折程度。片層α相厚度的增大和長寬比的降低可以促進增強β轉(zhuǎn)變組織的協(xié)調(diào)變形能力，減少應(yīng)力集中，從而提高開裂臨界值。當片層α相厚度增加到一定尺寸的時候，會阻礙裂紋的直接擴展，迫使裂紋擴展方向改變，使得擴展路徑變得更加曲折，進而提高材料的擴展性能。在700～750℃的熱處理空冷過程中，TA24合金的β轉(zhuǎn)變組織體積分數(shù)相對較少，且片層α相極為稀少，因此其阻礙裂紋擴展的能力有限，裂紋擴展路徑的曲折性不高，對沖擊韌性的提升貢獻不大。當溫度在800℃時，β組織轉(zhuǎn)變，沖擊韌性升高。850℃因β轉(zhuǎn)變組織體積分數(shù)增多，抗斷裂韌性最高。當溫度達到900℃，基體片層α相消失，α相晶粒長大，相界面變多，裂紋擴展更易發(fā)生，沖擊性能下降。

3、鍛造工藝的探討

TA24鈦合金餅材的的性能優(yōu)劣主要由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定，而這個組織結(jié)構(gòu)中各個相含量、尺寸、形態(tài)及分布又高度依賴鍛造過程中的關(guān)鍵參數(shù)，特別是在鍛造過程中的溫度調(diào)控與變形程度的把握。當鍛造溫度下降并伴隨更大的形變程度，能夠細化微觀結(jié)構(gòu)以增強性能，通常要求形變量超過50%。不過，當鍛造條件趨向于低溫和高強度變形，這也可能導(dǎo)致材料抵抗變形的能力劇增。對于具有多元素且復(fù)雜結(jié)構(gòu)的TA24鈦合金，其適宜的加工溫度范圍有限，這無疑對鍛造成品的質(zhì)量控制提出了嚴峻考驗，盡管β鍛造能提供優(yōu)良的工藝性，降低變形難度、減少變形阻力，但對TA24鈦合金而言，β鍛造和熱處理后會容易導(dǎo)致硅化物的不均勻分布或生成粗大的魏氏體組織，從而削弱了合金的塑性和高溫性能，因此在大多數(shù)情況下通常并不推薦使用。

基于這些因素，對于φ1861mm×197mm的TA24餅材，鍛造過程應(yīng)選擇在α+β兩相區(qū)域進行。首先，第一階段在兩相區(qū)的較高溫度段進行，目的是在保持機械性能不受影響的情況下，通過適度升溫來優(yōu)化合金的工藝特性，確保可以進行反復(fù)多次的鐓粗和拔長，進而有效優(yōu)化其內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)；第二階段鍛造選擇在較低溫度下進行，主要目標是促使大量均勻的等軸α相生成，以全面提升整體性能。試驗數(shù)據(jù)證實，這種方法在實踐中是切實可行的。

結(jié)論

（1）φ1861mm×197mm的TA24大規(guī)格餅材采用多火次鐓拔的變形工藝，先在兩相區(qū)的上部進行兩鐓兩拔，再采用較低溫度鐓粗滾圓拍平成餅是可行的。

（2）當對TA24鈦合金進行熱處理時，較低溫度下α相的體積分數(shù)基本保持穩(wěn)定；然而，隨著溫度的提升，α相開始溶解，其體積分數(shù)隨溫度升高而逐漸減小，與此相反，β轉(zhuǎn)變組織體積分數(shù)在α相溶解的過程中則會呈現(xiàn)出增加的趨勢。

（3）依據(jù)熱處理制度發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的提高，抗拉強度、屈服強度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，沖擊韌性則隨著溫度的升高呈升高趨勢。