鍛造工藝對TA5-A鈦合金棒材組織及性能的影響

文/張智，李進元，母果路·西部鈦業有限責任公司

鍛造工藝對TA5-A鈦合金棒材組織及性能的影響

文/張智，李進元，母果路·西部鈦業有限責任公司

研究了TA5-A鈦合金鍛造工藝對組織及性能的影響。結果表明:⑴最后一火次在Tβ－30℃鍛造變形, 得到的組織為等軸α組織,在Tβ＋30℃變形得到的組織以粗大的片狀α組織（網籃組織）為主；⑵鍛造溫度對抗拉強度、屈服強度及沖擊韌性αk影響較大，成品鍛造在β相區變形的抗拉強度、屈服強度及沖擊韌性αk值均高于α相區變形的水平；⑶在同溫度下鍛造時鍛造變形率對TA5-A鈦合金的拉伸性能影響不明顯。

TA5-A鈦合金是一種全α型鈦合金，含有4%的鋁（Al）和0.005%的硼(B)，具有中等強度，塑性較差，有良好的焊接性能和耐蝕性等突出優點,可制作棒材、板材及鍛件，在海洋、艦船領域中獲得了廣泛的應用。鍛造是鈦合金熱加工中使用最廣泛和最有效的方法，該方法不僅可以直接鍛壓成形所要求的工件形狀，還可以優化微觀組織結構，消除鑄態疏松等缺陷，提高材料的力學性能，獲得無缺陷或少缺陷的成品棒材。由于該合金為全α型鈦合金，雖然B元素的加入，可細化晶粒并提高彈性模量，但強化熱處理對改善合金性能效果不明顯。因此，研究鍛造工藝對合金的組織及性能尤為重要，為今后生產大規格棒材、鍛件打下堅實的基礎。

試驗

試驗材料

試驗材料為西部鈦業自行生產的TA5-A鈦合金鑄錠，采用真空自耗電弧爐三次熔煉，錠型為φ620mm，質量約3000kg。化學成分符合GB/T 3620.1-2007及GB/T 3620.2-2007國家標準要求。采用金相法測得TA5-A鈦合金的相變點（α+β/β）為1000～1005℃。

試驗方案

鑄錠在2500t快鍛機經β單相區開坯鍛造，再經方案1：中間鍛造、成品鍛造全在β相區變形；方案2：中間鍛造及成品鍛造在Tβ以下完成；鍛后均空冷。中間鍛造在2500t壓機上完成，坯料鍛至φ140mm，最后一火次成品鍛造在SX-16精鍛機上完成。成品鍛造分別采用Tβ－30℃和Tβ+30℃兩種溫度，一火次鍛到φ100mm、φ80mm、φ70mm三種規格，最后一火次鍛造工藝方案見表1。試樣熱處理制度為780℃保溫90min，空冷。室溫拉伸試驗按照GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的標準在Instron 1185電子萬能試驗機上進行，金相分析在OLYMPUS PMG3光學顯微鏡上進行。

表1 TA5-A鈦合金最后一火工藝方案

結果分析與討論

鍛造溫度對組織和性能的影響

鈦合金鍛造工藝參數中,加熱溫度對組織性能的影響最為顯著。不同的鍛造溫度形成不同的組織,而不同的組織決定不同的性能。本試驗用棒材加熱溫度在Tβ+30℃鍛造時,其強度和塑性指標完全符合GJB 943-1990標準的要求，且較富余。這是因為α型鈦合金特點：幾乎任何溫度下都是單一的α相。因此，要改善工藝塑性，需提高加熱溫度。加熱溫度高更易于變形、均勻組織。

圖1是規格為φ80mmTA5-A 鈦合金棒材在不同鍛造溫度的金相照片,最后一火變形率為62%的棒材在不同鍛造溫度下的顯微組織，圖a為在Tβ－30℃時鍛造變形，得到的組織為等軸α組織；圖b為在Tβ＋30℃時鍛造變形，得到的組織以粗大的片狀α組織為主。表2為鍛造工藝對TA5-A鈦合金棒材室溫性能的影響。由表2可見，在Tβ＋30℃鍛造時所有性能指標均滿足標準要求，但在Tβ－30℃鍛造時屈服強度Rp0.2均低于標準要求，且沖擊韌度αkv個別值不符合標準要求。在Tβ＋30℃鍛造成品的斷面收縮率Z略高，抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和沖擊韌度αkv均明顯高于Tβ－30℃鍛造時的水平，抗拉強度Rm最大相差71MPa，屈服強度Rp0.2最大相差81MPa，αkv最大相差25.6J/cm2。

圖1 φ80mmTA5-A鈦合金棒材在不同鍛造溫度的金相照片

表2 鍛造工藝對TA5-A鈦合金棒材室溫性能的影響

變形量對組織和性能的影響

圖2是在Tβ＋30℃鍛造時不同變形率下TA5-A鈦合金的顯微組織。由圖可見，α組織隨變形量增加發生了顯著變化，α片厚度逐漸變小，長度也變短。且初生α相由無變有,由少逐漸增多。這可能是由于隨著變形量增加,變形道次增多,終鍛溫度由β相區降至T轉以下所致。正是由于初生α相的出現和增加,才導致斷面收縮率稍有提高。

圖2 Tβ+30℃鍛造時不同變形率下TA5-A鈦合金的顯微組織

圖3列出了不同溫度鍛造時變形率對TA5-A鈦合金拉伸性能和沖擊性能的影響。由圖3(a)可見，在Tβ－30℃鍛造時，其強度、伸長率、沖擊韌性受變形率影響不大，斷面收縮率有所減小；由圖3(b)可見，Tβ＋30℃鍛造時強度、伸長率變化不明顯，斷面收縮率、沖擊韌性略有增大，但整體性能優于Tβ－30℃鍛造時的水平。所以在Tβ＋30℃鍛造時能得到強度—塑性—韌性的最佳綜合匹配。

圖3 不同溫度鍛造時變形率對TA5-A鈦合金拉伸性能和沖擊性能的影響

結論

⑴鍛造工藝對TA5-A鈦合金棒材的力學性能影響較大。

⑵鍛造溫度對抗拉強度、屈服強度及沖擊韌性αk影響較大，成品鍛造在Tβ＋30℃變形的抗拉強度、屈服強度及沖擊韌性αkv值均高于Tβ－30℃變形的水平。

⑶最后一火在Tβ－30℃鍛造變形，得到的組織為等軸α組織，在Tβ＋30℃鍛造變形，得到的組織以粗大的片狀α組織（網籃組織）為主。

⑷在同溫度下鍛造時鍛造變形率對TA5-A鈦合金的拉伸性能影響不明顯。