高強度TA15鈦棒鍛造工藝的研究

TA15鈦合金是一種綜合性能優良的中強鈦合金，該合金室溫強度較Ti-6Al-4V（TC4）鈦合金高30～50MPa，且焊接性能良好，可與其它鈦合金互焊，焊縫的強度系數可達90～95%，可用于制作飛機大型焊接結構—隔框等大型構件；該合金具有較好的加工性能，可用于生產薄鈦板、厚鈦板、型材、棒材、鍛件、模鍛件和鈦絲等產品。

鈦合金的鑄態組織一般為粗大片層組織，必須大大改變鑄態組織中的晶內α相的形貌，才能獲得細晶組織，且只能通過變形的方式獲得。本研究是為了解決大規格棒材組織、性能均勻性，采用不同的鑄錠開坯鍛造工藝，研制出Φ400mmTA15大規格鈦合金棒，滿足飛機用大型鍛件研制及生產的需求。實驗采用Ф940mm鑄錠進行。為了保證因化學成分差異引起的組織差異，對鑄錠進行了軸向和徑向化學成分均勻項分析，選取成分均勻的鑄錠。鑄錠熔煉采用10噸真空自耗電弧爐，棒材鍛造在3150噸水壓機和2500噸快鍛機進行。

科研人員通過對TA15鈦合金鑄錠經β區開坯，然后采用3種不同鍛造工藝得到Ф400mm鈦棒，并對所得棒材進行相同熱處理后，對獲得的顯微組織、力學性能等結果進行對比分析研究，從而獲得TC18鈦合金大規格棒材理想的鍛造工藝。試驗采用三次真空自耗電弧爐熔煉的Ф804mm、錠重為4000 kg鑄錠。（α＋β）/β相轉變溫度為860～870℃。對該鑄錠在β區加熱，采用水壓機開坯鍛造，再采用不同鍛造工藝，經過多火次在單相區或α＋β區加熱鍛造，最終鍛造成為Ф400mm棒材。對所得鈦棒進行相同熱處理后取樣進行組織、性能檢測。詳細工藝方案如下：工藝一：開坯＋高低高＋30%兩相區變形；工藝二：開坯＋高低高＋70%～85%兩相區變形；工藝三：開坯＋高低高、水淬＋70%～85%兩相區變形。研究結果表明：（1）采用工藝三（開坯＋高低高、水淬＋70%～85%兩相區變形鍛造工藝）所得Ф400mm鈦棒顯微組織與其他兩種工藝方案相比較，顯微組織均勻性和細化程度均優于其他方案。（2）采用工藝三（開坯＋高低高、水淬＋70%～85%兩相區變形鍛造工藝）所得Ф400mm棒材由于細晶強化機制影響，在保證塑性指標的情況下，獲得的強度指標最高。又由于工藝三所得晶粒細小均勻，裂紋擴展所經過途徑增長，使該工藝所得斷裂韌性指標明顯增加，綜合性能最好。


研制Ф400mm大規格鈦棒采用了3種工藝方案。
（1）開坯鍛造采用兩次鐓粗拔長，增加β相區變形量，有利于細化晶粒，改善棒材不同部位的組織均勻性。研究認為β相區在變形溫度下，提高變形溫度，當變形量足夠大時，能使原始和再結晶β晶粒粗化的同時促進再結晶程度的提高，最終導致組織細化。
（2）繪出了不同方案不同部位橫向室溫拉伸性能，從性能曲線看，不同方案的室溫拉伸性能遵循強度從邊部到心部逐漸降低的規律，而塑性變化不明顯。除方案1的σb不符合這一規律，分析原因與組織差異有關。