TA15 小鍛件沖擊性能提升鍛造工藝方案優化

文/李彩鳳，陳小虎·航空工業江西景航航空鍛鑄有限公司

TA15 屬于高Al 當量的近α 型鈦合金。因此，它既具有α 型鈦合金良好的熱強性和可焊接性，又具有(α+β)型鈦合金的工藝塑性,現廣泛用于鍛件加工中，但我公司在多品種、多批次TA15 小鍛件生產中，出現了鍛件沖擊性能不足的問題，造成了大量的浪費，且嚴重耽誤產品交付進度。

本文通過試驗分析問題原因，研究最佳鍛造方案，解決這一質量問題，TA15 小鍛件圖如圖1 所示。

工藝試驗方案

圖1 TA15 鍛件圖

本次工藝試驗共使用6 個鍛件，分別編號A、B、C、D、E、F，6 個鍛件。按現有工藝方案同爐熱處理，各鍛件成形方案如下：

⑴鍛件A、B，下料尺寸為φ50mm×128mm，按現有工藝進行鍛造，其工藝試驗鍛造工序為加熱(Tβ-45℃保溫40min)→制坯→空冷→加熱(Tβ-45℃保溫40min)→模鍛一火(保留4mm 欠壓)→空冷→加熱(Tβ-45℃保溫45min)→模鍛二火(保留1mm欠壓)→空冷，坯料尺寸如圖2 所示。

⑵鍛件C、D，下料尺寸為φ50mm×128mm，按現有工藝進行鍛造，然后增加校正工序，其工藝試驗鍛造工序為加熱(Tβ-45℃保溫40min)→制坯→空冷→加熱(Tβ-45℃保溫40min)→模鍛一火(保留4mm 欠壓)→空冷→加熱(Tβ-45℃保溫45min)→模鍛二火(保留1mm 欠壓)→空冷→加熱(Tβ-70℃保溫25min)→校正(保留1mm 欠壓)→空冷，坯料尺寸如圖2 所示。

⑶鍛件E、F，下料尺寸φ50mm×120mm，其余按現有工藝進行鍛造，其工藝試驗鍛造工序為加熱(Tβ-45 ℃保溫40min)→制坯→空冷→加熱(Tβ-45℃保溫40min)→模鍛一火(保留4mm 欠壓)→空冷→加熱(Tβ-45℃保溫45min)→模鍛二火(保留1mm 欠壓)→空冷，坯料尺寸如圖3 所示。

工藝優化思路

延長鍛造過程中的加熱保溫時間

根據621 所研究成果《熱處理工藝對TA15 鈦合金沖擊性能的影響》，當片層α 較厚時可提高鍛件沖擊性能。延長鍛造過程中的加熱保溫時間，可增加鍛件片層α 中的厚度，有利于提高鍛件沖擊性能。

減小坯料尺寸

該鍛件下料偏大，制坯和模鍛過程中金屬沿縱向流動量不足，沿橫向流出量過多，易導致取樣位置處沖擊試樣的實際流線轉變方向。經咨詢原材料廠家，TA15 小規格棒材的橫向沖擊較縱向沖擊低10%～20%，當金屬流線轉變方向后，沖擊性能可能發生較大衰減。

減小坯料尺寸后，制坯過程中金屬沿縱向流動量增加，沿橫向流出量減少，可有效減少金屬流線轉向程度，進而提高沖擊性能。

試驗結果分析

對各個鍛件檢測一個拉伸性能和兩個沖擊性能，并在沖擊試樣的斷口上檢測高倍，其性能結果見表1，高倍組織圖片如圖4 所示。

對比工藝試驗件性能和高倍組織，得到以下結論：

⑴從A ～F 鍛件，同一高倍視場中次生α 的形態更細更長；同一高倍視場中的等軸α 越來越少，次生α 和β 相越來越多。

圖2 工藝試驗件A、B、C、D 制坯尺寸圖

圖3 工藝試驗件 E、F 制坯尺寸圖

分析：每一火次中，鍛件出爐的順序是A ～F，即從A ～F 鍛件總加熱保溫時間越來越長。加熱保溫時間越長，初生α 的溶解度越高，鍛后等軸α 殘留越少，次生α 和β 相越多。

表1 工藝試驗件性能檢測結果

圖4 工藝試驗件沖擊斷口處高倍組織

⑵A、B、C、D 鍛件平均沖擊性能無明顯差異，且存在沖擊性能富裕量不足5%問題；E、F 鍛件沖擊性能有較明顯改善，富裕量≥7%。

分析E、F鍛件相對A、B、C、D鍛件有兩個特點：1)更長的加熱保溫時間，進而有更多次生α 和β 相；2)更多的縱向金屬流出量，更少的橫向金屬流出量。

綜上分析得出，金屬流線對沖擊性能的影響相對高倍組織更加明顯，順流線沖擊性能較高。

結論

⑴根據我公司數據統計結果，鍛件越大，沖擊性能越好。鍛前加熱保溫時間越長，鍛件沖擊性能越好。

⑵通過采用延長鍛造前加熱保溫時間和優化鍛造流線兩種措施，提高了TA15 小鍛件整體沖擊性能。一次熱處理合格率由62.5%提升至92.1%，平均沖擊功值由42.1J/cm2提升至47.6 J/cm2。