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(shù)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(yōu)良的焊接性能、可制作板材,棒材和鍛件,是海水環(huán)境下的理想結(jié)構(gòu)材料。該合金主要應(yīng)用于艦船、化工、航空、原子能等領(lǐng)域。目前俄羅斯艦船材料選用該合金主要做聲納系統(tǒng)、核潛艇二回路和深潛器等機械和動力設(shè)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(xiàn),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(nèi)關(guān)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(qū)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(xù)加工該合金的應(yīng)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(jié)長120 mm試樣塊,將2個試樣塊經(jīng)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(guī)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(nèi)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(tài)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(qū)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(nèi)部形成沿軸向的金屬流線,晶粒破碎不均勻,會造成材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)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(nèi)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(guī)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(guī)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(zhuǎn),初生α晶粒為等軸α或拉長的α,局部區(qū)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(zhuǎn),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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)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(tài)組織和魏氏組織充分的破碎、細化,然后經(jīng)( α +β)區(qū)充分變形可以得到更為均勻組織。

由表2中數(shù)據(jù)可以看出,工藝2鍛造方棒的室溫拉伸性能數(shù)據(jù)相差較小。而工藝1鍛造方棒的兩組數(shù)據(jù)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(jié)論

1)TA17鈦合金方棒經(jīng)過相變點以上充分變形后,在α +β兩相區(qū)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(guī)軸向鍛拔鍛造。

2)從實驗結(jié)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(chǎn)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。