TA15钛合金的名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V[1], 属于高 Al 当量的近 α 型钛合金, 其主要强化机制是通过 α 稳定元素 Al 的固溶强化, 加入中性元素 Zr 和 β、 稳定元素 Mo 和 V, 可以改善工艺性能[2-4]。 该合金既具有 α 型钛合金良好的热强性和可焊性, 也具有接近 α+β 型钛合金的工艺塑性[5],因此, 在航空领域的应用广泛, 如飞机发动机叶片、机匣, 飞机的各种钣金件、 结构件等[6-8] 均采 用TA15 钛合金。
由于TA15钛合金的室温强度较高, 其屈服强度约为 900MPa, 决定了该合金的管材冷加工存在很大的困难和局限性, 产品主要为棒材、 板材、 锻件等[9-11]。 随着钛合金在各种领域的应用越来越广泛,TA15 钛合金管材产品的需求也逐渐增加。 因此, 本试验在大工业生产条件下, 采用不同的工艺生产TA15 钛合金管材, 对比其性能、 组织、 外观尺寸及生产成本等方面的差异, 最终可以根据客户的不同使用需求, 选用最合适的工艺来生产TA15钛合金管材。
1、 试验过程及方法
1.1 试验材料
试验用的原材料为西部钛业有限责任公司使用真空自耗炉 3 次熔炼的TA15钛合金铸锭, 铸锭的主要成分见表 1, 通过金相法测得其相变点为 990 ~995℃。
1.2 制备工艺
TA15钛合金铸锭经过多火次锻造为管坯棒后,分别采用棒材钻孔机加法 (简称锻造法)、 挤压后机加法 (简称挤压法) 以及斜轧穿孔后机加法 (简称斜轧法) 制备 Φ120mm×16mm 规格的管材, 3种工艺具体的工艺路线如下。
锻造法: 相变点以上开坯+相变点以下墩拔+相变点以下拔长—精锻为成品黑皮管坯棒—外车至Φ120mm 的成品管坯棒—下料—钻镗孔—内外表面抛光为成品管材。 管材规格为 Φ120mm×16mm。
挤压法: 相变点以上开坯+相变点以下墩拔+相变点以下拔长为黑皮管坯棒—下料—外车至Φ213mm—芯部钻镗孔—内外包套—加热至 900 ~960℃ 保温—使用卧式挤压机挤压为 Φ125mm ×21mm规格的挤压管材—端部平齐—内孔镗孔—外表面车削为成品管材。管材规格为Φ120mm ×16mm。
斜轧法: 相变点以上开坯+相变点以下墩拔+相变点以下拔长—精锻为成品黑皮管坯棒—外车至Φ123mm 的 成 品 管 坯 棒—下 料—加 热 至 980 ~1050℃保温—使用斜轧穿孔机制备为 Φ125mm×21mm规格的斜轧穿孔管材—端部平齐—内孔镗孔—外表面车削为成品管材。 管材规格为 Φ120mm×16mm。
1.3 试验方法
3 种不同工艺制备的TA15钛合金管材, 对比其表面质量、 尺寸公差和核算成本。 分别取样测试其室温拉伸、 室温冲击功等各项性能, 并观察对比其显微组织。
2、 试验结果及讨论
2.1 表面质量
3 种不同工艺制备的TA15钛合金管材的外观如图 1 所 示。 图 1a 为 锻 造 管 材, 表 面 光 滑, Ra <0.8μm, 未见裂纹、 磕碰等缺陷, 也未见明显加工痕迹, 且直线度较好。 图 1b 为挤压管材, 表面铜皮附着完整、 光滑, 局部撕开铜皮可见纵向挤压纹路,属正常挤压痕迹。 管材的整体直线度较高, 外表面机加后可获得光洁的表面。 图 1c 为斜轧穿孔管材,表面为一层黑色氧化皮, 整体较光滑, 无明显缺陷。
这是因为: 斜轧穿孔时, 管坯棒在变形区内被反复碾压, 外表面受到径向压应力的同时, 还会受到切向的拉应力和轴向的拉应力, 从而螺旋前进。 因此,斜轧管材表面会有一圈圈的螺旋压痕, 相比其他工艺制备的管材, 表面平整度和直线度较差, 手摸有“波浪” 的触感, 且此螺旋压痕无法通过矫直的方法消除。 一般来说, 斜轧穿孔制备的管材径厚比越大, 螺旋纹越明显, 本次试验制备的 Φ125mm ×21mm规格的管材径厚比相对较小, 螺旋纹较轻,目视不太明显。 外表面机加时, 螺旋纹的存在会导致表面车除不均匀。
2.2 尺寸精度
3 种不同工艺制备的TA15钛合金管材的原始管材和机加后管材的壁厚偏差如表 2 所示。
通过对比可以发现, 锻造法制备的管材的尺寸精度高, 壁厚偏差很小, 在棒材中心打好定心孔后钻镗孔, 内外圆同心度较高, 能将尺寸精度控制在较高的水平。
挤压法制备的管材直径较大, 壁厚较厚, 挤压后长度约为 2m, 壁厚偏差约为 0.6mm, 属于一般精度水平。 机加时因为长度较长, 受到镗刀自重以及车床装配等因素的影响, 机加后壁厚偏差有小幅增加, 达到 0.8mm, 但可以满足大部分客户的使用需求。
斜轧法制备的管材, 其原始管材的壁厚偏差非常小, 仅为0.4mm, 但机加后,壁厚偏差增加至0.8mm, 其原因与挤压法相似。 对于径厚比较大的斜轧穿孔管材, 由于表面螺旋纹的存在, 机加时表面车除不均匀, 导致壁厚偏差剧烈增加。若使用环境对表面质量和直线度的要求不高, 可以保留原始斜轧表面或进行表面喷丸处理, 控制壁厚偏差在较小的范围。
2.3 力学性能和显微组织
3 种不同工艺制备的TA15钛合金管材的室温拉伸性能和冲击韧性相关数据见表 3。 其中, Rm为抗拉强度, ReL 为屈服强度, A 为伸长率, Z 为端面收缩率, Akv 为冲击功。
从表 3 可以发现, 3 种工艺制备的TA15钛合金管材的室温力学性能和冲击韧性均满足客户的要求。
将管材性能进行对比可以发现: 3 种工艺制备的TA15 钛合金管材的抗拉强度基本相当, 仅相差约20MPa; 锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材的屈服强度相当, 较斜轧法制备的TA15钛合金管材的屈服强度约高 50MPa, 可以认为 3 种工艺制备的TA15钛合金管材的强度基本处于同一水平。 针对伸长率和断面收缩率两项指标, 锻造法制备的TA15 钛合金管材的伸长率和断面收缩率为 17.0%和47%, 挤压法制备的TA15钛合金管材的伸长率和断面收缩率为 18.5%和 49%, 基本无差别, 而斜轧法制备的TA15钛合金管材的伸长率和断面收缩率仅为 13.0%和 30%, 明显低于另外两种工艺。 对比冲击功数值, 锻造法制备的TA15钛合金管材的冲击功为 39.5J, 低于挤压法制备的TA15钛合金管材的冲击功 48.3J 和斜轧法制备的TA15钛合金管材的冲击功 50.3J, 挤压法和斜轧法制备的TA15钛合金管材的冲击功可以认为处于同一水平。
根据实际的使用需求, 对比 3 种工艺制备的TA15 钛合金管材的综合性能, 挤压法制备的 TA15钛合金管材的综合性能最为优异, 强度、 塑性、 冲击韧性均处于较高的水平, 可以满足更多的使用需求; 锻造法制备的TA15钛合金管材的综合性能也较高, 强度、 塑性均较好, 冲击韧性良好, 适用于很多高要求的工作环境; 斜轧法制备的TA15钛合金管材的综合性能较低, 主要缺点为塑性较差, 不利于后期加工和使用, 适用于性能要求较低的场合。
3 种不同工艺制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织见图 2。 由图 2 可知, 锻造法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织主要为等轴初生 α 相+少量条状初生 α 相+晶间 β 相组成 (图 2a), 由于锻造后空冷, 晶间 β 相中还有细小的针状次生 α 相析出。 其中, 初生 α 相占比较大, 约为 70%, 且初生α 相的晶粒非常细小, 晶粒尺寸大部分约为 10 ~15
μm, 晶界清晰、 完整。 根据等轴组织的性能规律, 这种组织具有较好的综合性能, 强度和塑性均较好, 但冲击韧性相对差些。 冲击断裂时, 裂纹扩展分为沿晶断裂和穿晶断裂两种, 等轴初生 α 相占比较多且晶粒细小时, 裂纹主要沿着 α 晶界扩展,消耗能量较少[12-13], 因此冲击功较小, 与表 3 的测试结果也相吻合。 挤压法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织为 α+β 双态组织 (图 2b)。 由于挤压在 α+β 区加热进行, 在金属变形过程中晶粒沿着变形方向被压扁, 沿着流动方向被拉长, 形成了等轴及长条状的 α+β 组织。 本次试验挤压管材的壁厚较厚, 挤压比仅为 4.3, 组织的变形程度较一般情况 (挤压比为 10 左右) 相比没那么剧烈, 加之挤压后动态再结晶, 因此仍有部分的等轴 α 组织存在。 与锻造法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织相比, 挤压法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织中的初生 α 相含量略少, 约占 60%, 而转变的 β 相的含量相对增多, 并且初生 α 相晶粒大小也相对更大一些, 晶粒尺寸平均达到 20 ~ 25μm 以上, 长条状的晶粒尺寸甚至能够达到 50μm。 这种类型的组织同样具有良好的综合性能, 强度、 塑性均很好, 而且冲击断裂时, 由于条状 α 相具有较大的纵横比, 使得裂纹扩展方向频繁改变从而消耗更多能量, 并且有些裂纹会穿透条状的 α 相内部, 以穿晶断裂的方式扩展, 消耗的能量更大, 冲击功较高[12-13]。 斜轧法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织为粗大的魏氏体组织 (图 2c)。 由于在相变点左右加热后进行加工, 初生 α 相完全转变为 β 组织, 并且晶粒尺寸大幅增大, 冷却时 β 相晶内杂乱地析出大量细长的、 平直的针状次生 α 相。 此类组织的典型性能即塑性很差, 伸长率和断面收缩率均较低, 而冲击断裂时, 晶内针状次生 α 相的存在使得裂纹以穿晶断裂的方式扩展, 同时由于针状次生α 相的分布杂乱、 交错, 使得裂纹扩展时消耗的能量较大, 具有很高的冲击功, 与表 3 的测试结果非常吻合。
综合室温性能和轴向显微组织对比 3 种工艺制备的TA15钛合金管材, 可以认为: 挤压法和锻造法制备的TA15钛合金管材均可以获得 α+β 双态组织, 具有优异的组织形貌和力学性能, 均可以满足各种使用要求; 而斜轧法制备的TA15钛合金管材,其显微组织为粗大的魏氏体组织, 塑性较差, 适用于性能要求较低的零部件。
2.4 生产成本
3 种不同工艺制备的TA15钛合金管材的成材率及加工费用 (折算成材率后的单价) 见表 4。
由表 4 可知, 斜轧法制备的TA15钛合金管的成材率最高, 挤压法次之, 锻造法最低, 成本亦是如此。
工业生产时, 核算综合成本, 斜轧法的成本最低; 锻造法和挤压法相比, 不同规格的成品的成材率有所不同, 结合原材料价格和加工费的差异, 两种工艺的成本互有高低, 需要根据实际情况核算。
3、 结论
(1) 锻造法、 挤压法、 斜轧法均可以制备 Rm为 900~1130MPa, A≥9%, Z≥25%, Akv≥28J 的TA15 钛合金管材。
(2) 锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材的显微组织为 α+β 双态组织, 斜轧法制备的 TA15钛合金管材的显微组织为粗大的魏氏体组织。
(3) 锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材的综合性能良好, 但成本较高, 适用制作性能要求较高的零部件。
(4) 斜轧法制备的TA15钛合金管材的塑性较差, 但成本最低, 适用于使用要求较低的零部件。
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