TA15鈦合金大鍛件兩種模鍛工藝的組織性能對比研究

大型和特大型壓力機是衡量一個國家制造能力甚至工業實力的重要標志，萬噸級以上的壓力機國際上只 有美國、俄羅斯等少數國家擁有，如目前國外最大的壓力機是俄羅斯的7.5萬噸壓力機[1]，2013 年我國自行研制的8萬噸（800MN）壓力機已在中國二重萬航模鍛有限公司成功投入使用，成為目前世 界上最大噸位的壓力機。

眾所周知，航空鍛件特別是鈦合金鍛件的大型化、整體化是其發展趨勢[2～4]，而大型化整體化對 設備的要求之一就是壓力機噸位越來越大，因此，我國8萬噸壓力機的投入使用，為我國航空航天等領域特大型鍛件制造提供了設備條件。

目前，大型鈦合金鍛件制備的主導工藝是根據1MJ鍛錘設備制訂的，采用800MN壓力機后，由于 壓力機噸位增大，可以實現鍛件每火次大變形量，從而可以減少火次、縮短工藝流程。但工程界最關心的是 800MN壓力機制備的鍛件與1MJ鍛錘制備的鍛件在組織和性能上有何差異。

本研究以TA15鈦合金大型鍛件為例，通過航空大型鍛件在800MN壓力機與1MJ鍛錘制備的鍛件組 織性能對比研究，以期為800MN壓力機工藝優化及挖掘材料工藝潛力奠定基礎。

TA15是比TC4鈦合金室溫強度略高、高溫性能優異的近α型鈦合金，并具有良好的熱加工性能，特別 適合制造大型航空模鍛件，因此，在我國航空航天領域獲得了廣泛應用[5，6]。

針對TA15鈦合金，有研究者研究了等溫模鍛與普通模鍛條件下組織和性能特點[7]，但對于普通模鍛 尤其是大型壓力機與鍛錘制備的鍛件組織性能對比研究幾乎是空白。

為此，本研究通過同規格棒材分別采用800MN模鍛壓力機、1MJ對擊錘制備同一零件的TA15鈦合 金大型模鍛件，并對組織及力學性能進行對比分析。

由于800MN壓力機壓力大、鍛件變形量大、鍛造火次少，其熱工藝參數與1MJ對擊模鍛錘不同， 必然導致鍛件組織特征參數不同，從而影響鍛件的組織性能，因此掌握變形量和變形速率可控的800MN 模鍛壓力機制備的大型鈦合金鍛件顯微組織特征，為TA15鈦合金乃至其他合金的大型鍛件的制備技術與廣泛 應用奠定了重要基礎，對提高大型鍛件的質量水平具有重要的科學意義和工程實用價值。

1、實驗材料及方法

制備大型模鍛件所用材料為TA15鈦合金，其成分為Ti-6.6Al-1.6Mo-2.2V-2.0Zr（質量分數/％，下同），合金相變點（ｔβ）為９９0±5℃。

利用φ350ｍｍ大規格TA15鈦合金棒材，分別在800MN壓力機、1MJ對擊錘上模鍛成形制備大 型TA15鈦 金垂尾梁鍛件，模鍛加熱溫度為相變點以下40℃。

對兩種模鍛條件下的大型鈦合金鍛件進行顯微組織與拉伸性能對比分析，包括：1）鍛件橫向低倍組織 ；2）鍛件橫截面由表面至中心高倍組織；3）鍛件室溫及500℃高溫拉伸性能。

以下為敘述簡明，以800MN和1MJ代表兩種設備。

編號8字開頭的為800MN上的數據；1字開頭的為1MJ數據。

2、結果與分析

2.1 800MN和1MJ兩種設備鍛造后鍛件組織對比

圖1ａ，ｂ分別為利用800MN壓力機、1MJ對擊錘制備的鍛 件低倍組織形貌。

可以看出，利用兩種設備鍛造的垂尾梁鍛件低倍均無夾雜、裂紋等缺陷，無明顯粗大晶粒形貌。800 MN鍛件流線更完整，分布更合理。

為分析鍛件組織的均勻性，分別在鍛件橫截面典型位置取樣觀察，取樣示意圖見圖1。

取樣圖上的1，2，3分別代表鍛件表面、過渡區、中心位置。800MN以81，82，83編號；1MJ以11，12，13編號。

圖2為不同取樣位置顯微組織形貌，縱向看為同種工藝不同位置；橫向看為同一位置不同工藝。通過對 比兩種模鍛條件下鍛件橫截面顯微組織可以看出，兩種工藝下鍛件不同位置均為雙態組織，且同種工藝下不 同位置處的顯微形貌較為一致，表現出良好的均勻性。

進一步比較兩種工藝同一位置下的高倍組織形貌發現，800MN的鍛件初生α相比例高于1MJ鍛件 ，兩種工藝下初生α相比例相差約10％，800MN鍛件初生α相顆粒比1MJ鍛件更細小。

2.2 800MN和1MJ鍛件性能對比

為了分析大型鍛件上不同位置的性能均勻性，從鍛件的不同截面上取樣，試樣代表了不同變形量的力學 性能。

圖3、圖4分別為利用TA15鈦合金鍛件不同取樣部位，室溫拉伸強度和塑性變化曲線；圖5、圖6分別 為500℃室溫拉伸強度和塑性變化曲線；圖7分別是沖擊和斷裂韌度的變化曲線。

綜合比較上述性能可以看出，兩種工藝條件下鍛件不同位置處拉伸性能、沖擊性能和斷裂韌性的不同取 樣位置一致性較好，說明鍛件的組織均勻性較好，相比而言，采用800MN設備生產的鍛件拉伸性能、沖 擊性能和斷裂韌度略高于1MJ設備生產的鍛件。

2.3 討論

雖然采用的是相同規格棒材、制備的是同一尺寸零件的鍛件，但由于模鍛設備不同，熱工藝參數則不同 ，為了具有可比性，制備過程中采用相同的鍛造加熱溫度、冷卻條件、鍛件熱處理工藝，不同的是每火次變 形量和變形速率。

800MN壓力機變形速率約為0.05ｍ/ｓ，1MJ對擊模鍛變形速率約為5m/s，相差約100倍；800MN壓力機制備鍛件時鍛造加熱火次為2火，1MJ對擊錘鍛造加熱火次為5火，從鍛造火次可以看出，鍛件成形過程中，每火次變形不同，800MN壓力機每火次變形量約為1MJ對擊錘鍛的2.5倍。鍛件變形過程中熱工藝參數的不同，導致組織特征參數不同，組織特征參數不同，則會表現為鍛件力學性能的不同。

鍛件在變形過程中會發生動態再結晶，再結晶過程是由擴散機制主導的熱激活過程。

變形速率低有利于再結晶的發生，而再結晶晶粒尺寸的大小則與變形量密切相關[8]。

變形量越大，則再結晶晶粒越小，晶粒越細小則鍛件的拉伸強度越高、塑性越好、沖擊韌性和斷裂韌性 越高；從初生α相的比例和形態而言，變形速率越低、變形量越大，初生α相的破碎程度越高，即越細小；加熱火次多則初生α相的比例少[９]，以上這些熱工藝特點，能夠很好地解釋800MN壓力機鍛件晶粒尺寸小、初生α相顆粒細小、初生α相比例高，從而拉伸強度和塑性和韌性高于1MJ鍛件的原因。

3、結論

（1）相比于1MJ對擊錘，采用800MN壓力機制備的鍛件塑性流線與鍛件外形貼合更好，分布更 加合理。

（2）800MN制備鍛件，每火次變形量更大、變形速率低，比1MJ鍛件再結晶晶粒尺寸小、等軸 初生α相比例高、初生α相顆粒細小。

（3）與1MJ鍛件相比，800MN鍛件的室溫、高溫拉伸性能、沖擊韌性和斷裂韌度優于1MJ鍛 件。

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