TA24钛合金大规格饼材工艺研究

TA24钛合金(Ti-3Al-2Mo-2Zr)是近α型钛合金的代表，又被称为Ti75合金。其中，3%的稳定元素Al为α相起固溶强化的作用，为其坚固性打下坚实基础；而2%的稳定元素Mo则强化了β相，并改善了材料塑性，使其在加工过程中展现出优越的灵活性和可塑性。此外，Zr这一中性合金元素的加入，为合金的焊接性能提供了保障。

TA24钛合金的主要半成品形式多样，包括棒材、管材、板材、饼件、丝材和型材等，满足了不同领域的需求。本文核心关注的是TA24钛合金高性能大规格饼材工艺研究，通过剖析不同热处理条件对其组织结构及性能的影响，为工业制造中设定合适的工艺参数、加工方法和工艺流程奠定了初步基础。

一、饼材的锻造工艺

1、饼材制备

本试验材料为TA24钛合金，铸锭经3次真空自耗熔炼，铸锭重量为5940kg，加热温度为1050～1100℃，在宝钛集团万吨锻压机上进行锻造开坯，冷却后经修磨、机加等，得到表面质量合格的、规格为φ1861mm×197mm的大规格饼材。铸锭的化学成分见表1。

2、锻饼工艺

铸锭经过总锻造比大于30的自由锻造后，继续用箱式电阻炉加热，在万吨自由锻造油压机上锻造。在α+β两相区锻造过程中经历了多轮两镦两拔变形，使材料沿径向扩展至接近八方形截面；随后再次镦粗，沿径向再次拔长、滚圆，确保镦拔后的饼材轴向尽量与原始坯料的轴向一致或者近似；继续加热后镦粗，然后匀正滚圆，拍平成φ861mm×197mm的饼材。锻造完成后按照规范，采用线切割获取样品，经过精密机械加工后，对室温下的拉伸性能、微观组织结构以及断裂韧性进行检测和评估。

二、试验结果与讨论

1、显微组织

本次试验是在700～900℃温度区间退火制度下进行，如图1所示，随着热处理温度的上升，α相呈现长大势态，但长大的趋向不明显，初生α相的含量减少，部分α相逐步溶解到β基体中；次生α相溶解到β基体中形成明显的片层组织，如图1(d)所示。当热处理温度达到900℃时，由于温度接近相变温度，β基体进行合金元素的再分配，片层组织也随之消失。

2、力学性能

在700℃、750℃、800℃、850℃以及900℃温度下，进行室温下的拉伸测试，结果见表2。

从试验数据图2所示的趋势中观察到，随着热处理温度的提升，抗拉强度和屈服强度呈现出逐渐下降的趋势，尤其是在750℃和800℃阶段，两者强度表现出趋于相近的水平。在700～750℃区间，随着片层α相厚度的增加，导致内部位错滑移，而α/β相界面对强化效应的减弱也起着负面影响。同时，晶粒尺寸的增长使得位错滑动的空间变得更长，从而削弱了材料的强度。然而，当温度升高至800℃，虽然β转变组织中少量粗大的片层α相具有一定的塑性变形潜力，但大量细小的α相内部的滑移却变得难以进行，发生塑性变形的难度增大，并且增强了界面强化的效果，因此强度略有下降。当温度进一步升高至850～900℃时，细小α相完全溶解，等轴α相的比例逐渐减少，伴随着晶粒整体尺寸的逐渐增大，不仅增加了位错的有效滑移距离，也显著地降低了材料的强度。

如图3所示，断后伸长率和断面收缩率随温度的升高呈增长趋势，但总体来看，断后伸长率和断面收缩率变化较小。在750～800℃的条件下，尽管等轴α相的体积占比保持稳定，但其延伸率受片层α相形态的影响显著。当温度提升至850℃，观察到片层α相的厚度有所增大，这导致材料的塑性增强。到了900℃，尽管晶粒尺寸略有增大，但等轴α相的体积分数继续减小，这反而使得延伸率相应的略有下降。

不同热处理温度后TA24钛合金的冲击性能如图4所示。随着温度的上升，冲击韧性呈现出先增后降的趋势，在冲击测试样本的断裂过程中，能量关键被三个部分吸收，即裂纹形成、亚临界扩展和断裂能。对于两相钛合金，等轴α相体积分数以及β转变组织的相关参数都会对其冲击韧性产生影响。较高的等轴α相含量可使裂纹容易穿过，导致裂纹扩展路径较为平直，不利于裂纹扩展功的提高。同时，晶粒尺寸和层状α相的厚度也会影响裂纹扩展的曲折程度。片层α相厚度的增大和长宽比的降低可以促进增强β转变组织的协调变形能力，减少应力集中，从而提高开裂临界值。当片层α相厚度增加到一定尺寸的时候，会阻碍裂纹的直接扩展，迫使裂纹扩展方向改变，使得扩展路径变得更加曲折，进而提高材料的扩展性能。在700～750℃的热处理空冷过程中，TA24合金的β转变组织体积分数相对较少，且片层α相极为稀少，因此其阻碍裂纹扩展的能力有限，裂纹扩展路径的曲折性不高，对冲击韧性的提升贡献不大。当温度在800℃时，β组织转变，冲击韧性升高。850℃因β转变组织体积分数增多，抗断裂韧性最高。当温度达到900℃，基体片层α相消失，α相晶粒长大，相界面变多，裂纹扩展更易发生，冲击性能下降。

3、锻造工艺的探讨

TA24钛合金饼材的的性能优劣主要由其内部组织结构决定，而这个组织结构中各个相含量、尺寸、形态及分布又高度依赖锻造过程中的关键参数，特别是在锻造过程中的温度调控与变形程度的把握。当锻造温度下降并伴随更大的形变程度，能够细化微观结构以增强性能，通常要求形变量超过50%。不过，当锻造条件趋向于低温和高强度变形，这也可能导致材料抵抗变形的能力剧增。对于具有多元素且复杂结构的TA24钛合金，其适宜的加工温度范围有限，这无疑对锻造成品的质量控制提出了严峻考验，尽管β锻造能提供优良的工艺性，降低变形难度、减少变形阻力，但对TA24钛合金而言，β锻造和热处理后会容易导致硅化物的不均匀分布或生成粗大的魏氏体组织，从而削弱了合金的塑性和高温性能，因此在大多数情况下通常并不推荐使用。

基于这些因素，对于φ1861mm×197mm的TA24饼材，锻造过程应选择在α+β两相区域进行。首先，第一阶段在两相区的较高温度段进行，目的是在保持机械性能不受影响的情况下，通过适度升温来优化合金的工艺特性，确保可以进行反复多次的镦粗和拔长，进而有效优化其内在组织结构；第二阶段锻造选择在较低温度下进行，主要目标是促使大量均匀的等轴α相生成，以全面提升整体性能。试验数据证实，这种方法在实践中是切实可行的。

结论

（1）φ1861mm×197mm的TA24大规格饼材采用多火次镦拔的变形工艺，先在两相区的上部进行两镦两拔，再采用较低温度镦粗滚圆拍平成饼是可行的。

（2）当对TA24钛合金进行热处理时，较低温度下α相的体积分数基本保持稳定；然而，随着温度的提升，α相开始溶解，其体积分数随温度升高而逐渐减小，与此相反，β转变组织体积分数在α相溶解的过程中则会呈现出增加的趋势。

（3）依据热处理制度发现，随着温度的提高，抗拉强度、屈服强度呈现逐渐降低趋势，冲击韧性则随着温度的升高呈升高趋势。