TA15 是一种近α 型钛合金,拥有中等强度、优良的热不变性和焊接机能,宽泛利用于航空航天工业。我公司出产的TA15 厚截面锻件,多种类多批次存在室温强度富足量不及甚至不合格问题,不只造成了较严沉的质量损失,还严沉影响了交付进度。为解决TA15 锻件室温强度偏低问题,本文提出了预备热处置的步骤,并进行了工艺试验,以领导TA15 锻件热加工规划设计。
一、锻件要求
我公司承造某主机厂的TA15钛锻件,其验收尺度为型号专用尺度,室温拉伸和室温冲击机能要求见表1。凭据尺度要求,锻件的显微组织应是经α+β 两相区加工后的均匀组织,并以退火状态交付,推荐的热处置造度:750 ~850℃,保温1 ~4h,空冷。
表1 TA15 锻件专用尺度的室温力学机能要求

二、TA15 钛合金强化机造
TA15 钛合金重要用于飞机大型结构件,名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。通常以为,TA15 合金的强化机造重要是Al 及其他元素的固溶强化,不能通过热处置进行强化。因而TA15 钛合金在退火状态使用,此时合金的相组成是以α 相为基体,含有少量的β 相。然而凭据国内钻研了局,选取适当的铸造步骤或热处置步骤,TA15 钛合金锻件强度能够得到肯定的提升,举例如下。
⑴西北有色金属钻研院卢凯凯《强韧化热处置对TA15 钛合金组织和机能的影响》中,选取固溶+通常退火的热处置方式提高了TA15 锻件的强度,其重要钻研成就:固溶阶段的近β 相急剧水冷保留了组织中的晶体缺点,这些晶体缺点处为片状α 相形核提供了大量的形核中心。在第二路退火过程中,片状α 相形核并长大,最终形成由约20%的初生等轴α相和编织交错的片状α 相,以及β 相转变基体组成的三态组织。三态组织在拥有较高的塑性的前提下,同时能够维持足够的强度。
⑵宝钛集团郭志军《变形参数对TA15 合金厚板显微组织及力学机能的影响》中,选取β 开坯+(α+β)大变形铸造的方式提高了TA15 板材的强度,其重要钻研了局:对于TA15 钛合金,经过β区变形可获得魏氏组织或网篮状加工组织,拥有较高的断裂韧性,但塑性较差;此类组织再经过较大的a+β 相区变形,可获得藐幼等轴的a+β 加工组织,对应良好的综合机能。
三、优化思路
综上钻研了局来看,显微组织中较多的片状α且破碎水平较高时,钛锻件将获得较高的强度。然而,凭据出产经验,若选取固溶+时效热处置,复杂长轴类锻件极易变形导致报废;若选取β 开坯+(α+β)大变形铸造,锻件显微组织中初生α 相含量较少,显微组织不合格的风险很大。
为了提高强度,国内有厂家选取近等温铸造。该工艺的重要执行步骤是:在铸造中前几火次选取(Tβ-30)~(Tβ-50)℃较低加热温度,最后一火次选取(Tβ-10)~(Tβ-30)℃的较高加热温度,可将其显微组织初生α 相含量节造在20%~30%的领域内,以获得较高的强度。但近等温铸造过程中,铸造温度靠近相变温度,铸造过程中的反热景象导致TA15 钛合金锻件产生过烧风险急剧增长,节造不当便会导致锻件整批报废。
为此,公司技术团队提出一种设想:在铸造的最终火次前,对坯料进行近β 热处置,析出更多的片状α 相;最终火次选取较大变形,增长片状α 相的破碎水平。该步骤重要有如下利益。
最终火次前进行近β 热处置,加热温度选用(Tβ-25)℃,加热设备选用II 类高温电炉。近β 加热过程中,坯料显微组织中大多初生α 相将转变为β相。在近β 加热后的空冷过程中,大多转变的β 相将沉新析出片条状α 相;在近β 加热后的水冷过程中,大多转变的β 相将沉新析出针状α 相。无论片条状α 相还是针状α 相,在最终火次的加热过程中,城市长大,并在变形的过程中被击碎,进而达到强化作用。该步骤铸造后仍选取通常退火热处置,相比固溶+时效热处置,可降低复杂长轴类锻件的变形水平;该步骤锻件显微组织中仍会渣滓约15%~35%的初生α 相,可满足尺度要求;该步骤最终火次的变形温度仍节造在(Tβ-30)~(Tβ-50)℃,可有效预防铸造温升产生的粗晶问题。
四、工艺试验
1、试验资料
选取TA15 钛合金φ100mm 规格圆棒材,测定其相变点温度为Tβ=(997±3)℃;按尺度要求对资料进行复验,其力学机能指标见表2。
表2 某棒材力学机能入厂实测指标

2、试验规划
⑴下φ100mm×180mm 规格料3 件,编号试验件A/B/C。
⑵对试验件A/B 进行近β 热处置,热处置造度如下:①试验件A:(Tβ-25)℃±5℃,保温120min,流动净水冷却;②试验件B:(Tβ-25)℃±5℃,保温120min,空冷。
⑶对试验件A/B/C 进行镦粗铸造,要求如下:①加热温度:(Tβ-45)℃±10℃,保温100min;②出炉后选取1000t 快锻机进行镦粗,高度180mm 镦粗至100mm;镦粗过程一次成形,下压速度节造50 ~60mm/s。
⑷铸造实现后,对试验件A/B/C 进行退火处置。退火造度:840℃保温3h,空冷。
⑸按试验专用取样图要求检测纵向室温拉伸(2根)、纵向室温冲击(2根)、横向室温拉伸及冲击(1/2厚度2 根,1/4 厚度2 根),过轴心低倍、心部和表皮高倍。工艺试验件解剖图如图1 所示。

图1 工艺试验件解剖图
3、了局和分析
⑴显微组织对好比图2、图3、图4、图5、图6、图7 所示。

图2 工艺试验件A 表层高倍(等轴α 相含量10%~20%)

图3 工艺试验件A 心部高倍(等轴α 相含量30%~40%)

图4 工艺试验件B 表层高倍(等轴α 相含量15%~25%)

图5 工艺试验件B 心部高倍(等轴α 相含量20%~30%)

图6 工艺试验件C 表层高倍(等轴α 相含量30%~35%)

图7 工艺试验件C 心部高倍(等轴α 相含量50%~60%)
从高倍组织来看,选取近β 加热+水冷/空冷预备热处置后,锻件高倍组织中等轴α 相显著削减,破碎的片状α 相显著增长,同样大幼高倍视场中的总α 晶粒数量显著增长,达到了设计主张。而通例铸造后的锻件,初生α相显著较多,且条状α相很少。
⑵低倍组织对好比图8、图9、图10 所示。

图8 工艺试验件A 低倍组织

图9 工艺试验件B 低倍组织

图10 工艺试验件C 低倍组织
从低倍组织来看,选取近β 加热+水冷/空冷预备热处置,与通例铸造步骤无显著差距,未出现粗晶或组织不均匀等低倍问题。
⑶机能对比。
表3 是3 个试验件一样取样地位的室温纵向力学机能对比。从机能了局来看,相比力通例铸造,锻前选取近β 加热+水冷/空冷预备热处置后,锻件强度总体高于通例铸造,强度提高均匀约20MPa,塑性略有降低但相对尺度要求仍有较大的富足量,达到了设计主张。
表3 工艺试验件室温力学机能了局

五、结论
⑴锻前增长近β 热处置,可有效降低锻件显微组织中初生α 相含量并提升片状α 相含量,且片状α 相破碎水平较高。
⑵锻前增长近β 热处置,可提升锻件的室温强度,同时对锻件塑性和韧性的影响不大。
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