TA15鈦合金棒材的新型熱連軋生產(chǎn)工藝

TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)鈦合金是一種與俄羅斯研制的BT20鈦合金相似的近α鈦合金，具有較高的比強(qiáng)度、抗蠕變性、耐蝕性以及良好的焊接性能，常用于制造工作環(huán)境在500℃以上的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片等重要部件[1]。

本文借助國外引進(jìn)的高合金鋼連續(xù)軋制生產(chǎn)線，初步開發(fā)直徑為20mm的TA15鈦合金小規(guī)格棒材的熱連軋工藝。該連軋生產(chǎn)方式的主要特點(diǎn)是：生產(chǎn)效率高、棒材的直度好、尺寸精度和表面質(zhì)量較傳統(tǒng)的橫列式軋制工藝有優(yōu)勢。本研究通過控制軋制溫度和軋制變形量，研究TA15鈦合金d20mm熱連軋棒材的性能和組織。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1TA15鈦合金的Gleeble熱模擬試驗(yàn)試驗(yàn)用d25mm小圓棒，于800℃退火處理1.5h，再機(jī)械加工成d8mm×12mm的壓縮試樣，上、下兩端加工成d7mm×0.2mm的淺槽，以添加BN潤滑劑減少摩擦，保證壓縮變形的均勻性和穩(wěn)定性，防止嚴(yán)重鼓形出現(xiàn)。壓縮試驗(yàn)在Gleeble3800熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加熱速度為5℃/s，至壓縮溫度后保溫3min，然后進(jìn)行等溫壓縮。變形溫度分別為800、850、900、950、1000和1050℃，應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1和10s^?1，變形過程全部由計(jì)算機(jī)控制并自動(dòng)采集有關(guān)數(shù)據(jù)，最后得到TA15鈦合金高溫壓縮變形隨變形溫度和應(yīng)變速率變化的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線。

1.2TA15鈦合金d20mm棒材的熱連軋工藝結(jié)合Gleeble熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)熱連軋工藝的坯料加熱溫度、連軋入口變形溫度、連軋速率、連軋總變形量等關(guān)鍵工藝參數(shù)，具體的工藝流程是：三次真空自耗熔煉成直徑為860mm的鑄錠→鍛至80mm×80mm×80mm→打磨去除缺陷→高合金鋼生產(chǎn)線連續(xù)軋制成直徑為20mm的成品→磨光→探傷→取樣、檢測性能和組織→合格入庫。

2、結(jié)果與討論

2.1TA15鈦合金的Gleeble熱模擬試驗(yàn)

Gleeble熱模擬試驗(yàn)得到TA15鈦合金高溫壓縮變形隨變形溫度和應(yīng)變速率變化的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，如圖1所示。

由圖1可見，TA15鈦合金棒高溫壓縮變形時(shí)，流變應(yīng)力的變化規(guī)律表現(xiàn)為：1)在峰值點(diǎn)之前，應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加呈現(xiàn)近線性迅速增大；2)在應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度的升高，峰值點(diǎn)呈下降趨勢；3)在溫度一定時(shí)，隨著變形速率的增大，峰值點(diǎn)呈上升趨勢。另外，由圖1的曲線可知，隨著變形溫度的升高，材料的流動(dòng)應(yīng)力逐漸降低，并且在不同的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的流動(dòng)特性：800~950℃溫度范圍內(nèi)，材料的流變應(yīng)力到達(dá)峰值之后總體呈下降趨勢，說明在此溫度范圍內(nèi)主要的軟化機(jī)制可能是動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；950~1050℃時(shí)，材料的流動(dòng)應(yīng)力幾乎穩(wěn)定在一個(gè)定值，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)回復(fù)的特征。當(dāng)TA15鈦合金高溫塑性變形時(shí)，在應(yīng)力峰值點(diǎn)之前，應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加呈現(xiàn)近線性迅速增大，且隨著變形溫度的升高或應(yīng)變速率的降低，合金的峰值應(yīng)力水平不斷降低。越過峰值應(yīng)力點(diǎn)以后，動(dòng)態(tài)回復(fù)或動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化程度超過了形變硬化，流變應(yīng)力便逐漸降低或保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

同時(shí)，在塑性變形過程中，絕大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能；變形溫度越低或應(yīng)變速率越大，變形抗力也越大，塑性變形過程中消耗的能量就越多，轉(zhuǎn)化成熱能的也越多，并且變形溫度越低或變形速率越大，單位時(shí)間內(nèi)形變熱散失越少，隨著變形溫度的降低或應(yīng)變速率的增大，形變熱效應(yīng)越顯著。因此，如圖2所示，至應(yīng)力峰值點(diǎn)后，在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的降低，流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增大而逐步增大[2?3]。

2.2熱連軋棒材的試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，考慮變形溫度與變形抗力的關(guān)系，以及熱連軋溫升帶來的影響，將變形溫度設(shè)定在850~950℃，選取兩批直徑為20mm的TA15鈦合金棒材進(jìn)行試驗(yàn)，棒材的軋制變形量相同，均在兩相區(qū)軋制，但工藝2的軋入口溫度較工藝1的高45℃，使表面質(zhì)量得到改善，但是組織和性能變化不大。

熱連軋直徑為20mm的棒材和橫列式軋制直徑為40mm的棒材的性能檢測結(jié)果見表1，不同軋制工藝獲得的顯微組織如圖3所示。

從表1的性能檢測結(jié)果來看，不同軋制工藝得到的TA15鈦合金小規(guī)格棒材的常規(guī)力學(xué)性能都能滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。三種工藝的室溫強(qiáng)度、室溫塑性與500℃高溫性能的試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)；而兩種熱連軋工藝生產(chǎn)的棒材沖擊韌性高于橫列式軋制工藝生產(chǎn)的棒材，但室溫屈服強(qiáng)度低于后者。

從圖3的顯微組織來分析，采用兩種熱連軋工藝生產(chǎn)的TA15鈦合金棒材組織主要由初生等軸α、片狀的次生α相和β相組成，其中40%~50%為等軸α相,說明雖然坯料軋制前的加熱溫度控制在兩相區(qū)下部，但是由于是連軋一火成材，其變形速度相當(dāng)快，變形量也比較大，從而引起軋制過程中棒材溫升比較嚴(yán)重，造成一部分初生α相熔解，在隨后的冷卻過程中變成不穩(wěn)定的β相，通過退火分解成片狀的次生α相。這種組織一般稱為雙態(tài)組織，其強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性匹配較好[4]，但是，如果初生等軸α相較少的話，其疲勞強(qiáng)度較差。在采用傳統(tǒng)的橫列式軋制方式生產(chǎn)的TA15鈦合金棒材組織中，等軸α相含量達(dá)到90％以上，說明在兩相區(qū)下部加熱后的坯料軋制過程中，基本沒有變形溫升。該類組織的強(qiáng)度、塑性等均較好，但是相比雙態(tài)組織，其沖擊韌性要低一些。

3、結(jié)論

1)采用新型的熱連軋工藝生產(chǎn)的TA15鈦合金小規(guī)格棒材，其組織和性能均滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。

2)和傳統(tǒng)的橫列式軋制生產(chǎn)方法相比，新型熱連軋工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品的直度和表面質(zhì)量得到改善，產(chǎn)品的力學(xué)性能基本相當(dāng)。

參考文獻(xiàn)：

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