TA15钛合金大锻件两种模锻工艺的组织性能对比研究

大型和特大型压力机是衡量一个国家制造能力甚至工业实力的重要标志，万吨级以上的压力机国际上只 有美国、俄罗斯等少数国家拥有，如目前国外最大的压力机是俄罗斯的7.5万吨压力机[1]，2013 年我国自行研制的8万吨（800MN）压力机已在中国二重万航模锻有限公司成功投入使用，成为目前世 界上最大吨位的压力机。

众所周知，航空锻件特别是钛合金锻件的大型化、整体化是其发展趋势[2～4]，而大型化整体化对 设备的要求之一就是压力机吨位越来越大，因此，我国8万吨压力机的投入使用，为我国航空航天等领域特大型锻件制造提供了设备条件。

目前，大型钛合金锻件制备的主导工艺是根据1MJ锻锤设备制订的，采用800MN压力机后，由于 压力机吨位增大，可以实现锻件每火次大变形量，从而可以减少火次、缩短工艺流程。但工程界最关心的是 800MN压力机制备的锻件与1MJ锻锤制备的锻件在组织和性能上有何差异。

本研究以TA15钛合金大型锻件为例，通过航空大型锻件在800MN压力机与1MJ锻锤制备的锻件组 织性能对比研究，以期为800MN压力机工艺优化及挖掘材料工艺潜力奠定基础。

TA15是比TC4钛合金室温强度略高、高温性能优异的近α型钛合金，并具有良好的热加工性能，特别 适合制造大型航空模锻件，因此，在我国航空航天领域获得了广泛应用[5，6]。

针对TA15钛合金，有研究者研究了等温模锻与普通模锻条件下组织和性能特点[7]，但对于普通模锻 尤其是大型压力机与锻锤制备的锻件组织性能对比研究几乎是空白。

为此，本研究通过同规格棒材分别采用800MN模锻压力机、1MJ对击锤制备同一零件的TA15钛合 金大型模锻件，并对组织及力学性能进行对比分析。

由于800MN压力机压力大、锻件变形量大、锻造火次少，其热工艺参数与1MJ对击模锻锤不同， 必然导致锻件组织特征参数不同，从而影响锻件的组织性能，因此掌握变形量和变形速率可控的800MN 模锻压力机制备的大型钛合金锻件显微组织特征，为TA15钛合金乃至其他合金的大型锻件的制备技术与广泛 应用奠定了重要基础，对提高大型锻件的质量水平具有重要的科学意义和工程实用价值。

1、实验材料及方法

制备大型模锻件所用材料为TA15钛合金，其成分为Ti-6.6Al-1.6Mo-2.2V-2.0Zr（质量分数/％，下同），合金相变点（ｔβ）为９９0±5℃。

利用φ350ｍｍ大规格TA15钛合金棒材，分别在800MN压力机、1MJ对击锤上模锻成形制备大 型TA15钛 金垂尾梁锻件，模锻加热温度为相变点以下40℃。

对两种模锻条件下的大型钛合金锻件进行显微组织与拉伸性能对比分析，包括：1）锻件横向低倍组织 ；2）锻件横截面由表面至中心高倍组织；3）锻件室温及500℃高温拉伸性能。

以下为叙述简明，以800MN和1MJ代表两种设备。

编号8字开头的为800MN上的数据；1字开头的为1MJ数据。

2、结果与分析

2.1 800MN和1MJ两种设备锻造后锻件组织对比

图1ａ，ｂ分别为利用800MN压力机、1MJ对击锤制备的锻 件低倍组织形貌。

可以看出，利用两种设备锻造的垂尾梁锻件低倍均无夹杂、裂纹等缺陷，无明显粗大晶粒形貌。800 MN锻件流线更完整，分布更合理。

为分析锻件组织的均匀性，分别在锻件横截面典型位置取样观察，取样示意图见图1。

取样图上的1，2，3分别代表锻件表面、过渡区、中心位置。800MN以81，82，83编号；1MJ以11，12，13编号。

图2为不同取样位置显微组织形貌，纵向看为同种工艺不同位置；横向看为同一位置不同工艺。通过对 比两种模锻条件下锻件横截面显微组织可以看出，两种工艺下锻件不同位置均为双态组织，且同种工艺下不 同位置处的显微形貌较为一致，表现出良好的均匀性。

进一步比较两种工艺同一位置下的高倍组织形貌发现，800MN的锻件初生α相比例高于1MJ锻件 ，两种工艺下初生α相比例相差约10％，800MN锻件初生α相颗粒比1MJ锻件更细小。

2.2 800MN和1MJ锻件性能对比

为了分析大型锻件上不同位置的性能均匀性，从锻件的不同截面上取样，试样代表了不同变形量的力学 性能。

图3、图4分别为利用TA15钛合金锻件不同取样部位，室温拉伸强度和塑性变化曲线；图5、图6分别 为500℃室温拉伸强度和塑性变化曲线；图7分别是冲击和断裂韧度的变化曲线。

综合比较上述性能可以看出，两种工艺条件下锻件不同位置处拉伸性能、冲击性能和断裂韧性的不同取 样位置一致性较好，说明锻件的组织均匀性较好，相比而言，采用800MN设备生产的锻件拉伸性能、冲 击性能和断裂韧度略高于1MJ设备生产的锻件。

2.3 讨论

虽然采用的是相同规格棒材、制备的是同一尺寸零件的锻件，但由于模锻设备不同，热工艺参数则不同 ，为了具有可比性，制备过程中采用相同的锻造加热温度、冷却条件、锻件热处理工艺，不同的是每火次变 形量和变形速率。

800MN压力机变形速率约为0.05ｍ/ｓ，1MJ对击模锻变形速率约为5m/s，相差约100倍；800MN压力机制备锻件时锻造加热火次为2火，1MJ对击锤锻造加热火次为5火，从锻造火次可以看出，锻件成形过程中，每火次变形不同，800MN压力机每火次变形量约为1MJ对击锤锻的2.5倍。锻件变形过程中热工艺参数的不同，导致组织特征参数不同，组织特征参数不同，则会表现为锻件力学性能的不同。

锻件在变形过程中会发生动态再结晶，再结晶过程是由扩散机制主导的热激活过程。

变形速率低有利于再结晶的发生，而再结晶晶粒尺寸的大小则与变形量密切相关[8]。

变形量越大，则再结晶晶粒越小，晶粒越细小则锻件的拉伸强度越高、塑性越好、冲击韧性和断裂韧性 越高；从初生α相的比例和形态而言，变形速率越低、变形量越大，初生α相的破碎程度越高，即越细小；加热火次多则初生α相的比例少[９]，以上这些热工艺特点，能够很好地解释800MN压力机锻件晶粒尺寸小、初生α相颗粒细小、初生α相比例高，从而拉伸强度和塑性和韧性高于1MJ锻件的原因。

3、结论

（1）相比于1MJ对击锤，采用800MN压力机制备的锻件塑性流线与锻件外形贴合更好，分布更 加合理。

（2）800MN制备锻件，每火次变形量更大、变形速率低，比1MJ锻件再结晶晶粒尺寸小、等轴 初生α相比例高、初生α相颗粒细小。

（3）与1MJ锻件相比，800MN锻件的室温、高温拉伸性能、冲击韧性和断裂韧度优于1MJ锻 件。

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