TA17锻造工艺对力学性能的影响

TA17合金名义成分是Ti-4Al-2V,标称系数Kβ小于0.20 ,属于近α合金。该合金是中等强度的钛合金,具有优良的焊接性能、可制作板材,棒材和锻件,是海水环境下的理想结构材料。该合金主要应用于舰船、化工、航空、原子能等领域。目前俄罗斯舰船材料选用该合金主要做声纳系统、核潜艇二回路和深潜器等机械和动力设备[ 1-3]。

由于TA17钛合金为近α型钛合金,热处理对改善合金性能效果很不明显,所以改善合金性能需要通过热加工过程实现,因此研究锻造工艺对合金的组织性能的影响尤为必要和迫切。而国内关于TA17合金锻造加工的报道相对较少4。本文对该合金α +β区锻造变形量对方棒的锻造工艺组织、性能进行研究,以对后续加工该合金的应用推广提供一定的参考。

本文采用两种锻造工艺进行对比实验,通过高倍组织、室温拉伸性能、超声波探伤,研究了锻造工艺对TA17钛合金方棒显微组织和力学性能的影响。具体实验方案见表1。

选用两种工艺锻造的坯料和方棒分别截取1节长120 mm试样块,将2个试样块经830℃保温1小时,空冷退火处理。在每个试样块截面1/2半径处线切割切取2个q12mm x 120mm ,2个p15 x20 mm规格的试样,按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验法》和GB/T5168《α- β钛合金高低倍组织检验方法》标准采用INSTRON 4505万能试验机测定所取试样的拉伸性能，MM -6金相显微镜观察材料的显微组织,采用便携式超声波探伤仪MaS380对方棒进行超声波探伤检测。

两种锻造工艺中间坯料显微组织对比

锻造加工有利于改善钛合金内部组织,合理控制加工率能够提高钛合金的综合性能。TA17钛合金方棒在整个热加工过程中,通过TB以上86%的变形量将铸态组织中粗大的柱状晶、等轴晶充分破碎细化。然后在TB以下 30℃ ~50℃之间采用两种工艺进行锻造,两种工艺在α+β相区保持相同的变形量。

在中间坯料锻造过程中,单纯采用轴向反复锻拔锻造在材料内部形成沿轴向的金属流线,晶粒破碎不均匀,会造成材料内部的组织结构具有方向性、易形成拉长的α,而换向镶拔锻造能够改善组织均匀性,改善锻透性,更好的破碎原始坯料组织,消除原始β晶界,使最终锻造的棒材组织晶粒得到细化,改善横截面内外组织均匀性[5-6]。TA17钛合金方棒采用两种不同的锻造工艺进行锻造,工艺1锻造过程全部采用常规轴向镶拔锻造,工艺2锻造过程采用二次换向镶拔。

图1为两种锻造工艺下的中间坯料显微组织。工艺1中间坯料的显微组织见图1(a) ,采用了常规的轴向反复镶拔锻造,在整个观察的微观组织视场中,片层α破碎不充分,相对均匀性要差一些。但从微观组织看仍为初生α + β转,初生α晶粒为等轴α或拉长的α,局部区域仍有未破碎的少量片状α。工艺2中间坯料的显微组织见图1(b)。采用二次换向反复锻拔锻造,换向徽拔锻造有利于材料成分和组织的均匀,在整个观察视场片层α破碎较为充分,也相对较为均匀,微观组织为初生α+β转,初生α晶粒为等轴α,属于较为均匀的等轴组织。

两种锻造工艺成品方棒显微组织对比

工艺1、工艺2均采用830℃ x60minAC的热处理方案。通过热处理后的方棒微观组织观察分析可以看出,虽然在(α +β)区域两种工艺变形量相同,微观组织均为均匀的等轴α,但两种工艺下的等轴α晶粒的大小、均匀性差别较为明显,如图2所示。图2(b)所显示的组织为细小均匀的球状α,说明在(α +β)区域相同的变形量,采用换向麻拔锻造能够进一步改善α相形貌使其更加的均匀,从而得到细小均匀的等轴α组织,α相平均直径在20um左右。图2(a)组织同样是细小均匀的球状α,但其均匀性和晶粒尺寸与工艺2相比均没有工艺2锻造的组织均匀性好,α相平均直径在35um左右,晶粒细化程度明显低于工艺2。这就说明换向钛拔锻造能够较好的改善锻透性,晶粒的破碎会更加充分,也更加能够得到较均匀的组织。

两种锻造工艺对力学性能的影响

细小均匀的等轴α具有更高的塑性和较高的断面收缩率",由图2中显微组织明显看出工艺2方棒组织中等轴α明显比工艺1组织中等轴α更加的细小均匀,这与表2中列出的室温拉伸性能相一致。工艺2锻造的TA17钛合金方棒延伸率和断面收缩明显高于工艺1。从表2的室温拉伸性能试验数据分析,工艺1锻造的方棒抗拉强度、屈服强度与工艺2相比均较为接近,工艺2的屈服强度略高,可见TB以上大变形可使铸态组织和魏氏组织充分的破碎、细化,然后经( α +β)区充分变形可以得到更为均匀组织。

由表2中数据可以看出,工艺2锻造方棒的室温拉伸性能数据相差较小。而工艺1锻造方棒的两组数据的差别相对较大。这说明换向钛拔锻造和轴向锹拔相比,不仅能够得到更加细小均匀的等轴组织,而且使方棒的性能也更加均匀,使塑性得到很好的改善189),强塑性获得较佳匹配,综合性能得到很大提高。

两种锻造工艺对超声波探伤性能的影响

工艺1、工艺2锻造的方棒采用便携式超声波探伤仪进行超声波探伤,探伤波形图见图3所示。两种工艺锻造的TA17钛合金方棒均达到了GB/T5193-2007中的A探伤要求。一般杂波高的地方一定存在组织不均匀,均匀、细小的等轴组织探伤杂波相对较低[10-"}从图2中显微组织分析,采用工艺2锻造方棒的组织均匀性明显好于工艺1,这与图3中所示的超声波探伤波形图一致。工艺2锻造方棒杂波水平低于工艺1杂波15%左右。

结论

1)TA17钛合金方棒经过相变点以上充分变形后,在α +β两相区锻造,在相同的变形量条件下,换向钦拔锻造的显微组织、力学性能、超声波探伤性能均好于常规轴向锻拔锻造。

2)从实验结果分析工艺1和工艺2锻造的方棒各项指标均较好,工艺2锻造的方棒等轴α更加细小均匀,延伸率和断面收缩率也较工艺1好。

3)通过对两种锻造工艺产生的方棒的超声波探伤波形图中杂波高低的分析,工艺2锻造方棒的组织均匀性要好于工艺1锻造的方棒组织均匀性。