變截面TA15鈦合金大鍛件初生α相控制與定量估算方法

張旺峰，王玉會，李興無

(北京航空材料研究院, 北京 100095)

鈦合金按照組織形態可分為等軸、片狀(包括魏氏、網籃)、雙態組織，其中雙態組織鈦合金具有較高的室溫、高溫性能及損傷容限性能，綜合性能優良[1-3]。雙態組織是在β轉變組織的基體上分布著一定數量的等軸初生α相，且含量不超過50%(體積分數)。初生α相含量不僅會影響β晶粒尺寸(D)、及α集束尺寸(d)，還會通過改變以上組織特征參數直接影響力學性能[4-5]，因此控制初生α相含量對于改善鈦合金的力學性能具有重要意義。目前，已有學者對初生α相的形成過程和機制進行了研究[6-9]，但關于實際鍛造中，工藝參量如何影響鈦合金初生α相含量，進而影響力學性能的研究鮮有報道，這項研究工作則更具工程價值。

鈦合金鍛件制造過程中，鍛造工藝的選擇主要是依據水淬金相法得到的相變點，這種通過溫度單因素方法制定的工藝在制造中小規格鍛件時是可行的，但隨著鍛件尺寸、質量以及形狀復雜程度的增加(如截面多變、厚薄不一等)，如果仍按單因素方法制訂工藝，可能會產生很大誤差。鍛造過程中加熱溫度、冷卻方式、鍛造火次等都會對初生α相含量產生影響，進而影響合金性能。本研究主要針對TA15鈦合金大型復雜鍛件制備過程中初生α相含量對其室溫和高溫拉伸性能的影響以及熱加工工藝參數對初生α相含量的影響等進行研究，以便為控制初生α相含量提供依據，指導TA15鈦合金鍛件的生產。

1 實 驗

實驗材料為某航空用變截面TA15鈦合金鍛件，其化學成分(質量分數，%)為:Al 6.66，Mo 1.74，V 2.25，Zr 2.11，N 0.007，O 0.098，H 0.003 4，余量為Ti。合金α+β→β相變點為990 ℃。

TA15鈦合金鍛件分別加熱到940、950、960、970、980、985 ℃，以空冷(AC)、水淬(WQ)、爐冷(FC)3種方式冷卻，得到不同初生α相含量的鍛件。從鍛件上截取金相試樣和拉伸試樣，分析初生α相含量與鍛件加熱溫度、冷卻方式及拉伸強度的關系。將多截面鍛件加熱到970 ℃，以空冷方式冷卻，從不同截面厚度(36、120、196 mm)處截取拉伸試樣和金相試樣，研究截面厚度對初生α相的影響。對鍛件進行2～14多火次加熱，截取金相試樣，分析加熱火次對初生α相含量的影響。

采用Instron-4507試驗機進行室溫和高溫拉伸性能測試。采用Leica金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，用顯微鏡配備的圖像處理軟件測量初生α相含量。

2 結果與討論

2.1 初生α相含量對拉伸強度的影響

選取經不同溫度鍛造后得到初生α相含量不同的試樣，測量其室溫和500 ℃高溫拉伸強度，結果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著初生α相含量的增加，TA15鈦合金室溫拉伸強度增大，高溫拉伸強度下降。即增加初生α相含量，可提高室溫拉伸強度，但不利于500 ℃高溫拉伸強度。根據初生α相含量與室溫和500 ℃高溫拉伸強度的關系，可以相互推斷結果，即根據組織中初生α相的含量，可大致推算出其拉伸強度，反之亦然。

為便于估算，按線性關系擬合，得到TA15鈦合金室溫強度與初生α相含量的關系式:

Rm=918+0.5αp

(1)

500 ℃高溫拉伸強度與初生α相含量的關系式:

Rm=675-0.99αp

(2)

式中:αp為初生α相體積分數，%；線性相關系數均在0.99以上。

從以上簡單的定量關系可知，初生α相含量增加，TA15鈦合金鍛件的室溫拉伸強度亦增加，但500 ℃高溫拉伸強度降低。

圖1 TA15鈦合金鍛件初生α相含量與室溫、500 ℃ 高溫拉伸強度的關系曲線Fig.1 Relationship curves of primary α phase content and tensile strength of TA15 titanium alloy forging

2.2 初生α相含量的影響因素

2.2.1 加熱溫度對初生α相含量的影響

圖2為TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨加熱溫度的變化曲線。由圖2可以看出，隨著加熱溫度的增高，TA15鈦合金鍛件中初生α相含量下降，以WQ曲線為例，按線性關系估算得到式(3)。

圖2 TA15鈦合金鍛件初生α相含量與 加熱溫度的關系曲線Fig.2 Relationship curves of primary α phase content and heating temperature of TA15 titanium alloy forging

αp=709-0.72T(WQ)

(3)

式中:T為鍛件加熱溫度，范圍為940～985 ℃；線性相關系數為0.98。由式(3)可知，鍛件加熱溫度每增高10 ℃，初生α相含量降低7%左右。

2.2.2 冷卻速率對初生α相含量的影響

由圖2可以看出，TA15鈦合金鍛件初生α相含量除與加熱溫度有關外，還與冷卻方式有關。以典型的水冷和空冷為例，2種冷卻方式下初生α相含量有明顯差異。簡單按線性關系估算得到空冷方式下初生α相含量與溫度的關系式為:

αp=948-0.96T(AC)

(4)

式中：線性相關系數為0.95。

圖3為加熱溫度970 ℃時，水冷、空冷、爐冷3種冷卻方式下TA15鈦合金的金相照片。水冷、空冷、爐冷方式下，初生α相含量分別為12.1%、18.7%、83.1%。水冷時，β相來不及通過擴散轉變成平衡的α相組織，只有通過β相中原子作集體有規律的近程遷移，發生切變，形成過飽和固溶體，即α′，得到的組織為α初+α′。空冷時，冷卻速率較慢，β轉變組織得以保存下來，形成等軸的α+β轉，次生α相依附于初生α相或晶界生長，初生α相含量大于水冷方式。爐冷時，初生α相含量顯著增加，這是因為970 ℃處于TA15鈦合金兩相區的上部，冷卻速率足夠慢，使得等軸α相有足夠的能量長大并接觸，次生α相亦充分長大，甚至與初生α相連接在一起，難以分清初生和次生，故α相含量非常高。

由以上分析可知，TA15鈦合金鍛件的冷卻方式對初生α相含量有著顯著影響，在鍛件冷卻時要特別注意控制冷卻速率。

根據圖2的曲線，可以給出不同冷卻方式初生α相含量的差異，即式(4)減去式(3)可以得到空冷和水冷2種冷卻方式的初生α相含量差。

Δαp=239-0.24T

(5)

圖3 TA15鈦合金鍛件在970 ℃加熱以不同方式冷卻后的金相照片Fig.3 Metallographs of TA15 titanium alloy forgings heated at 970 ℃ and cooled in different ways:(a)WQ; (b)AC; (c)FC

2.2.3 鍛件截面厚度對初生α相的影響

鈦合金的傳熱系數小，導熱性差，因此鍛件厚度會對冷卻速率產生影響，從而影響初生α相含量。圖4為加熱溫度970 ℃及空冷條件下，不同截面厚度TA15鈦合金鍛件的金相照片。從圖4可以看出，隨著鍛件截面厚度的增大，初生α相含量增加。經過測量，鍛件截面厚度分別為36、120、196 mm時，其組織中初生α相的含量依次為32.92%、35.6%、38.51%。

將初生α相含量與鍛件截面厚度繪制曲線，如圖5所示。初生α相含量隨鍛件截面厚度的變化量可按線性關系擬合得到式(6)。

Δαp=0.035t

(6)

式中：t為鍛件截面厚度，mm；線性相關系數為0.98。

2.2.4 加熱火次對初生α相含量的影響

對于大型復雜模鍛件，需要經過多火次鍛造加熱，但對于鍛件的小變形或無變形區，相當于空燒。圖6為TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨加熱火次的變化曲線。從圖6可知，初生α相含量隨加熱火次N增加而下降，由2火次的21%下降至14火次的12.4%，降幅達40%。

根據圖6，以8火次為分界線，將初生α相含量變化大致分為2個階段。將2個階段分別按線性規律考慮，則8火前初生α相含量按0.45(N-2)線性下降；8火后按0.98(N-8)線性下降，即:

αp=-0.45(N-2) (2≤N≤8)

αp=-0.98(N-8) (N>8)

式中：線性相關系數在0.95以上。

圖4 不同截面厚度TA15鈦合金鍛件的金相照片Fig.4 Metallographs of TA15 titanium alloy forgings with different section thickness: (a)36 mm; (b)120 mm; (c)196 mm

圖5 TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨截面 厚度的變化曲線Fig.5 Relationship curve of primary α phase content and section thickness of TA15 titanium alloy forging

圖6 TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨加熱 火次的變化曲線Fig.6 Relationship curve of primary α phase content and heating times of TA15 titanium alloy forging

根據上述研究，TA15鈦合金鍛件初生α相含量與鍛造加熱溫度、冷卻方式、鍛件截面厚度、加熱火次等有關，溫度高、冷卻速率快、鍛件截面薄、加熱火次多，初生α相含量低，反之亦然。因此，對于大型復雜TA15鈦合金鍛件的制備，在制訂工藝時必須充分考慮各種因素的影響，在了解初生α相含量對性能影響規律的基礎上，根據服役條件，控制初生α相的含量。

將上述工藝參量對初生α相的影響作定量描述，可列為表1。根據表1可以定量估算初生α相含量，也可根據初生α相的含量推斷室溫和500 ℃高溫拉伸強度。

表1TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨鍛造工藝參量變化的規律

Table 1 Effect of process parameters on primary α phase content of TA15 titanium alloy forging

綜上所述，可根據式(4)，即常規空冷條件推算出TA15鈦合金某一加熱溫度下的初生α相含量，當其他參數變化時，則按照表1估算初生α相含量的增減，然后根據式(1)和式(2)估算室溫和高溫拉伸強度。

3 結 論

(1)增加TA15鈦合金的初生α相含量，有利于提高室溫拉伸強度，但不利于500 ℃高溫拉伸強度。

(2)加熱溫度高、冷卻速率快、鍛件截面薄、加熱火次多，初生α相含量低，這些參數中以加熱溫度的影響最大，并可根據參數的變化對初生α相進行定量估算。

(3)利用初生α相含量對TA15鈦合金力學性能的影響規律，可以根據服役性能要求，控制初生α相的含量。