多向锻造对汽车用Ti80钛合金组织及性能影响分析

引言

钛合金是汽车工业中的一种常用金属材料。由于强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金备受关注。甘伟等"分析了锻造温度对汽车用新型钛合金性能的影响。宋纬[2]对汽车钛合金气阀的铸造工艺进行了优化。赵福利和汪永江[3]探讨了搅拌摩擦加工对汽车用钛合金性能的影响。周渝庆和张祥[对机械紧固件用新型钛合金锻造温度进行了优化研究。张斌[分析了钛合金汽车零件烧结过程中的烧结工艺对零件性能产生的影响。张慧芳[6]研究了如何在汽车用钛合金表面制备双辉等离子Mo合金化层，并测试了分析涂层的摩擦磨损性能。周晓虎等[7]分析了准β锻造工艺对TC21钛合金大型锻件组织及性能的影响。随着汽车工业的发展，市场对汽车用钛合金性能的要求不断提高，尤其是力学性能和耐磨损性能。已有的研究表明，多向锻造作为一种新型的材料改性手段在金属材料改性方面得到成功应用8]。张伟华等[9分析了终锻温度对多向锻造高纯铜组织及硬度的影响。蓝希鑫等[0]分析了多向锻造对TC21钛合金α+β片层组织球化的影响。

但是，目前钛合金多向锻造的研究还较少，迫切需要进一步研究和探索。为此，笔者研究了多向锻造对汽车制造用Ti80钛合金显微组织、力学性能和耐磨损性能的影响。

1、试验材料和方法

1.1 试验材料

采用三次真空自耗电弧炉熔炼的Ti80钛合金方形铸锭（尺寸300mm×300mm×300mm）为试验材料，试样化学成分如表1所示。在500t油压机上进行多向锻造试验。试样多向锻造的每道次锻造过程如图1所示。锻造加热采用中频感应加热，采用自制模具，模具材料为W360钢，模具预热温度300℃。锻造时先将试样按图1所示进行第一个方向锻造（z方向），锻造完成后取出试样并旋转90°再进行第二个方向锻造（y方向），锻造完成后取出试样再旋转90°后进行第三个方向锻造(x方向），由此完成一道次多向锻造，每道次变形量25% 。多向锻造过程中，选择不同的锻造温度和锻造道次，各试样的锻造工艺参数如表2所示。锻造温度分别选为880、920、960℃，锻造道次分别选为2、5、8，模具预热温度和每道次变形量均保持不变，多向锻造后各试样照片如图2所示。可见，多向锻造后各试样外形无明显区别。

1.2 试验方法

用线切割方法在试样中部切取方形金相试样（尺寸30mm×20mm×10mm），金相腐蚀剂为13mLHF、26m LH N O ，和100mLH,O混合溶液。金相组织观察用KEYENCE金相显微镜和EVO18扫描电子显微镜进行观察用线切割方法在试样中部切取3个拉伸样（具体尺寸见图3）。在室温条件下进行拉伸试验，试验机型号为QX-W550微机控制电子万能试验机，采用的拉伸速度为1mm/min,拉伸断口的观察和拍照在EVO18扫描电子显微镜上进行。试样力学性能测试值为3个不同位置取样的拉伸样测试值的算术平均值。

在试样中间位置以线切割方式切取圆形磨损试样（尺寸030mm×15mm）。在室温条件下进行磨损试验，试验机型号为HT-1000型摩擦磨损试验机，对磨材料选用45号钢材，磨轮转速设置为1000r/min、摩擦磨损时间设定为20min、相对滑动速度设置为90mm/min。

2、试验结果及讨论

2.1 显微组织

图4和图5是采用不同锻造温度多向锻造的汽车制造用Ti80钛合金试样的显微组织金相照片和扫描电镜（SEM）照片。从图4和图5可以看出，锻造温度对多向锻造试样内部的组织产生明显影响。

随锻造温度从880℃升高到960℃，多向锻造试样内部组织先变细后变粗，当锻造温度920℃时，多向锻造试样内部的组织晶粒最细小、组织分布最均匀。多向锻造试样内部晶粒呈现出较为明显的等轴组织，第二相分布呈网状结构分布。

图6和图7是采用不同锻造道次多向锻造的汽车制造用Ti80钛合金试样的显微组织金相照片和扫描电镜（SEM)照片。从图6和图7可以看出，锻造道次对多向锻造试样内部的组织产生明显影响。随锻造道次从2增加到8，多向锻造试样内部组织先变细后变粗，当锻造道次为5时，多向锻造试样内部的组织晶粒最细小、组织分布均匀性最好，试样内部第二相的网状结构分布最完整，呈连续网状分布。

2.2 力学性能

采用不同锻造温度多向锻造的汽车制造用Ti80钛合金试样的力学性能测试数据见表3。从表3可知，锻造温度对多向锻造试样的力学性能产生较为显著的影响。当锻造温度从880℃升高到960℃时，试样抗拉强度和屈服强度先增大后减小、断后伸长率和断面收缩率先小幅度减小后小幅度增大。在其它工艺参数不变的情况下，当锻造温度880℃时试样力学性能最差；当锻造温度为920℃时力学性能最佳。与锻造温度880℃相比，锻造温度为920℃时试样的抗拉强度增大38MPa、屈服强度增大36MPa、断后伸长率减小0.9个百分点、断面收缩率减小1.3个百分点。选择恰当的锻造温度有助于提高多向锻造试样的力学性能。

采用不同锻造道次多向锻造的汽车制造用Ti80钛合金试样的力学性能测试数据见表4。从表4可知，锻造道次对多向锻造试样的力学性能产生较为显著的影响。当锻造道次从2增加到8时，试样抗拉强度和屈服强度先增大后减小、断后伸长率和断面收缩率先小幅度减小后小幅度增大。在其它工艺参数不变的情况下，当锻造道次为2时，试样力学性能最差；当锻造道次为5时，力学性能最佳。与锻造道次为2相比，锻造道次为5时试样的抗拉强度增大29MPa、屈服强度增大24MPa、断后伸长率减小0.7个百分点、断面收缩率减小0.8个百分点。锻造道次并非越多越好，选择恰当的锻造道次有利于改善多向锻造试样的力学性能。

图8是不同工艺多向锻造汽车制造用Ti80钛合金试样室温拉伸试验后拉伸断口形貌的扫描电镜(SEM)照片。从图8可以看出，多向锻造试样的拉伸断口均由韧窝和撕裂棱组成，均表现出比较明显的韧性断裂特征。但是与其它工艺参数相比，采用锻造温度920℃、锻造道次5（图8（b），2试样）时，试样拉伸断口中韧窝更加细小，展现出更加优异的拉伸性能。

2.3 耐磨损性能

采用不同锻造温度多向锻造的汽车制造用Ti80钛合金试样在室温条件下的磨损试验结果见表5。从表5可知，锻造温度对试样磨损体积产生较为明显的影响。当锻造温度从880℃升高到960℃时，试样磨损体积先减小后增大、试样耐磨损性能先提高后下降。在其它工艺参数不变的情况下，当锻造温度880℃时，试样磨损体积最大、耐磨损性能最差；当锻造温度920℃时，试样磨损体积最小、耐磨损性能最佳。与锻造温度880℃相比，锻造温度920℃时试样磨损15min后磨损体积从21×10^-3mm³减小到7×10^-3mm³,减小了14×10^-3mm³, 锻造温度升高到920℃时显著提高了多向锻造试样的耐磨损性能。

采用不同锻造道次多向锻造的汽车制造用Ti80钛合金试样在室温条件下的磨损试验结果见表6。从表6可知，锻造道次对多向锻造试样的耐磨损性能也产生较为明显的影响。当锻造道次从2增加到8时，试样磨损体积先减小后增大、试样耐磨损性能先提高后下降。在其它工艺参数不变的情况下，当锻造道次为2时，试样磨损体积最大、耐磨损性能最差；当锻造道次为5时，试样磨损体积最小、耐磨损性能最佳。与锻造道次为2相比，锻造道次为5时,试样磨损体积从9×10^-3mm³减小到7×10^-3mm³,减小了2×10^-3mm³。但是锻造道次并非越多越好，选择恰当的锻造道次可以有效改善多向锻造试样的耐磨损性能。

3、结论

1）锻造温度和锻造道次对多向锻造汽车制造用Ti80钛合金显微组织、力学性能和耐磨损性能均产生明显影响，随锻造温度从880℃升高到960℃、锻造道次从2增加到8，多向锻造试样的组织先细化后粗化、力学性能和耐磨损性能均先提高后下降。

2）当锻造温度920℃、锻造道次5时，多向锻造汽车制造用Ti80钛合金试样晶粒最细小、第二相呈连续网状分布，试样力学性能和耐磨损性能最佳。

3）与锻造温度880℃相比，锻造温度920℃时多向锻造汽车制造用Ti80钛合金试样抗拉强度增大38MPa、屈服强度增大36MPa、断后伸长率减小0.9个百分点、断面收缩率减小1.3个百分点、磨损15min后磨损体积减小14×10^-3mm³。

4)与锻造道次为2相比，锻造道次为5时多向锻造汽车制造用Ti80钛合金试样抗拉强度增大29MPa、屈服强度增大24MPa、断后伸长率减小0.7个百分点、断面收缩率减小0.8个百分点、磨损15min后磨损体积减小2×10^-3mm³。

参考文献

[1] Gan Wei, Xiang Junfeng, Huang Fang. Effect of forging temperature on properties of new titanium alloys for automobiles[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2019, 42(5): 70-73.

（甘伟，项俊锋，黄芳.锻造温度对汽车用新型钛合金性能的影响[].兵器材料科学与工程，2019,42(5)：70-73.）

[2] Song Wei. Optimization of casting process for automobile titanium alloy air valves[J]. Hot Working Technology, 2018, 47(7):102-104,111.

（宋纬.汽车钛合金气阀的铸造工艺优化[].热加工工艺，2018,47(7)：102-104,111.）

[3] Zhao Fuli, Wang Yongjiang. Effect of friction stir processing on properties of titanium alloy for automobile[Jj. Iron SteelVanadium Titanium, 2018, 39(3): 59-62.

（赵福利，汪永江.搅拌摩擦加工对汽车用钛合金性能的影响[].钢铁钒钛，201839(3)：59-62.）

[4] Zhou Yuqing, Zhang Xiang. Optimization on forging temperature of new titanium alloy for mechanical fasteners[J. Forging &Stamping Technology, 2020, 45(1): 35-40.

（周渝庆，张祥.机械紧固件用新型钛合金的锻造温度优化[J].锻压技术，2020,45（1)：35-40.）

[5]Zhang Bin. Effects of sintering process on properties of titanium alloy auto parts[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2017,38(4): 53-57.

（张斌.烧结工艺对钛合金汽车零件性能的影响[].钢铁钒钛，2017,38(4)：53-57.）

[6] Zhang Huifang. Preparation of Mo alloy coating on titanium alloy used in cars by double glow plasma alloying process and itsfriction and wear performance[]. Materials Protection, 2017, 50(6): 88-90.

（张慧芳.汽车用钛合金表面双辉等离子Mo合金化层的制备及其摩擦磨损性能[J].材料保护，2017,50(6)：88-90.）

[7] Zhou Xiaohu, Liu Wei, Hao Fang, et al. Influence of quasi-β forging process on microstructure and properties ofTC21 titanium alloy large forgings[J. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(6): 29-34, 44.

（周晓虎，刘卫，郝芳，等.准β锻造工艺对TC21钛合金大型锻件组织及性能的影响[].锻压技术,2020,45（6)：29-34,44.）

[8] Zhang Zhixiong, Wang Tao, Lin Peng, et al. Recent advances on multi-directional forging of titanium alloy[Jj. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(8): 1-9.

（张志雄，王涛，林鹏，等.钛合金多向锻造工艺研究进展[].塑性工程学报，2020,27(8)：1-9.）

[9]Zhang Weihua, Zhu Qingfeng, Yu Jie, et al. Effect of final forging temperature on microstructure and hardness of multi-directional forged high purity copper[J. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2020, 30(6): 1307-1316.

（张伟华，朱庆丰，余杰，等.终锻温度对多向锻造高纯铜组织及硬度的影响[J].中国有色金属学报，2020,306)：1307-1316.)

[10] ILan Xixin, Ouyang Delai, Chen Tongcai, et al. Effect of multi-directional forging on spheroidization of a+β lamellarstructure of TC21 titanium alloy[J]J. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(12): 24-29.

（蓝希鑫，欧阳德来，陈同彩，等.多向锻造对TC21钛合金α+β片层组织球化的影响[].塑性工程学报，2020,27(12)：24-29.)