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)動機的壓氣機盤、葉片等重要部件[1]。
本文借助國外引進的高合金鋼連續(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、實驗
1.1TA15鈦合金的Gleeble熱模擬試驗試驗用d25mm小圓棒,于800℃退火處理1.5h,再機械加工成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)。壓縮試驗在Gleeble3800熱/力模擬試驗機上進行,加熱速度為5℃/s,至壓縮溫度后保溫3min,然后進行等溫壓縮。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,變形過程全部由計算機控制并自動采集有關(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熱模擬試驗結(jié)果,設(shè)計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
Gleeble熱模擬試驗得到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,流變應(yīng)力的變化規(guī)律表現(xiàn)為:1)在峰值點之前,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,隨著變形溫度的升高,峰值點呈下降趨勢;3)在溫度一定時,隨著變形速率的增大,峰值點呈上升趨勢。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)出不同的流動特性:800~950℃溫度范圍內(nèi),材料的流變應(yīng)力到達峰值之后總體呈下降趨勢,說明在此溫度范圍內(nèi)主要的軟化機制可能是動態(tài)再結(jié)晶;950~1050℃時,材料的流動應(yīng)力幾乎穩(wěn)定在一個定值,表現(xiàn)出動態(tài)回復(fù)的特征。當(dāng)TA15鈦合金高溫塑性變形時,在應(yīng)力峰值點之前,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)力點以后,動態(tài)回復(fù)或動態(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態(tài)穩(wěn)定。
同時,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熱連軋棒材的試驗結(jié)果與分析
根據(jù)熱模擬試驗結(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鈦合金棒材進行試驗,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。三種工藝的室溫強度、室溫塑性與500℃高溫性能的試驗結(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:
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