700~900℃空冷熱處理下TA24鈦合金大規(guī)格餅材微觀結(jié)構(gòu)演變與力學(xué)性能調(diào)控研究——明確溫度依賴(lài)規(guī)律，為強(qiáng)度-塑性-沖擊韌性綜合匹配及工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐

2、鍛餅工藝

鑄錠經(jīng)過(guò)總鍛造比大于30的自由鍛造后，繼續(xù)用箱式電阻爐加熱，在萬(wàn)噸自由鍛造油壓機(jī)上鍛造?在α+β兩相區(qū)鍛造過(guò)程中經(jīng)歷了多輪兩鐓兩拔變形，使材料沿徑向擴(kuò)展至接近八方形截面；隨后再次鐓粗，沿徑向再次拔長(zhǎng)?滾圓，確保鐓拔后的餅材軸向盡量與原始坯料的軸向一致或者近似；繼續(xù)加熱后鐓粗，然后勻正滾圓，拍平成φ1861mm×197mm的餅材?鍛造完成后按照規(guī)范，采用線切割獲取樣品，經(jīng)過(guò)精密機(jī)械加工后，對(duì)室溫下的拉伸性能?微觀組織結(jié)構(gòu)以及斷裂韌性進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估?

二、試驗(yàn)結(jié)果與討論

1、顯微組織

本次試驗(yàn)是在700~900℃溫度區(qū)間退火制度下進(jìn)行，如圖1所示，隨著熱處理溫度的上升，α相呈現(xiàn)長(zhǎng)大勢(shì)態(tài)，但長(zhǎng)大的趨向不明顯，初生α相的含量減少，部分α相逐步溶解到基體中；次生α相溶解到β基體中形成明顯的片層組織，如圖1(d)所示?當(dāng)熱處理溫度達(dá)到900℃時(shí)，由于溫度接近相變溫度，β基體進(jìn)行合金元素的再分配，片層組織也隨之消失?

2、力學(xué)性能

在700℃?750℃?800℃?850℃以及900℃溫度下，進(jìn)行室溫下的拉伸測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2?

表2不同熱處理制度的室溫力學(xué)性能

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖2所示的趨勢(shì)中觀察到，隨著熱處理溫度的提升，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，尤其是在750℃和800℃階段，兩者強(qiáng)度表現(xiàn)出趨于相近的水平?在700~750℃區(qū)間，隨著片層α相厚度的增加，導(dǎo)致內(nèi)部位錯(cuò)滑移，而α/β相界面對(duì)強(qiáng)化效應(yīng)的減弱也起著負(fù)面影響?同時(shí)，晶粒尺寸的增長(zhǎng)使得位錯(cuò)滑動(dòng)的空間變得更長(zhǎng)，從而削弱了材料的強(qiáng)度?然而，當(dāng)溫度升高至800℃，雖然β轉(zhuǎn)變組織中少量粗大的片層α相具有一定的塑性變形潛力，但大量細(xì)小的α相內(nèi)部的滑移卻變得難以進(jìn)行，發(fā)生塑性變形的難度增大，并且增強(qiáng)了界面強(qiáng)化的效果，因此強(qiáng)度略有下降?當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至850~900℃時(shí)，細(xì)小α相完全溶解，等軸α相的比例逐漸減少，伴隨著晶粒整體尺寸的逐漸增大，不僅增加了位錯(cuò)的有效滑移距離，也顯著地降低了材料的強(qiáng)度?

如圖3所示，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率隨溫度的升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但總體來(lái)看，斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率變化較小?在750~800℃的條件下，盡管等軸α相的體積占比保持穩(wěn)定，但其延伸率受片層α相形態(tài)的影響顯著?當(dāng)溫度提升至850℃，觀察到片層α相的厚度有所增大，這導(dǎo)致材料的塑性增強(qiáng)?到了900℃，盡管晶粒尺寸略有增大，但等軸α相的體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)減小，這反而使得延伸率相應(yīng)的略有下降?

不同熱處理溫度后TA24鈦合金的沖擊性能如圖4所示?隨著溫度的上升，沖擊韌性呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，在沖擊測(cè)試樣本的斷裂過(guò)程中，能量關(guān)鍵被三個(gè)部分吸收，即裂紋形成?亞臨界擴(kuò)展和斷裂能?對(duì)于兩相鈦合金，等軸α相體積分?jǐn)?shù)以及β轉(zhuǎn)變組織的相關(guān)參數(shù)都會(huì)對(duì)其沖擊韌性產(chǎn)生影響?較高的等軸α相含量可使裂紋容易穿過(guò)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑較為平直，不利于裂紋擴(kuò)展功的提高?同時(shí)，晶粒尺寸和層狀α相的厚度也會(huì)影響裂紋擴(kuò)展的曲折程度。片層α相厚度的增大和長(zhǎng)寬比的降低可以促進(jìn)增強(qiáng)β轉(zhuǎn)變組織的協(xié)調(diào)變形能力，減少應(yīng)力集中，從而提高開(kāi)裂臨界值。當(dāng)片層α相厚度增加到一定尺寸的時(shí)候，會(huì)阻礙裂紋的直接擴(kuò)展，迫使裂紋擴(kuò)展方向改變，使得擴(kuò)展路徑變得更加曲折，進(jìn)而提高材料的擴(kuò)展性能?在700~750℃的熱處理空冷過(guò)程中，TA24合金的β轉(zhuǎn)變組織體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較少，且片層α相極為稀少，因此其阻礙裂紋擴(kuò)展的能力有限，裂紋擴(kuò)展路徑的曲折性不高，對(duì)沖擊韌性的提升貢獻(xiàn)不大。當(dāng)溫度在800℃時(shí)，β組織轉(zhuǎn)變，沖擊韌性升高?850℃因β轉(zhuǎn)變組織體積分?jǐn)?shù)增多，抗斷裂韌性最高?當(dāng)溫度達(dá)到900℃，基體片層α相消失，α相晶粒長(zhǎng)大，相界面變多，裂紋擴(kuò)展更易發(fā)生，沖擊性能下降?

三、鍛造工藝的探討

TA24鈦合金餅材的性能優(yōu)劣主要由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定，而這個(gè)組織結(jié)構(gòu)中各個(gè)相含量?尺寸?形態(tài)及分布又高度依賴(lài)鍛造過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，特別是在鍛造過(guò)程中的溫度調(diào)控與變形程度的把握?當(dāng)鍛造溫度下降并伴隨更大的形變程度，能夠細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)性能，通常要求形變量超過(guò)50%?不過(guò)，當(dāng)鍛造條件趨向于低溫和高強(qiáng)度變形，這也可能導(dǎo)致材料抵抗變形的能力劇增?對(duì)于具有多元素且復(fù)雜結(jié)構(gòu)的TA24鈦合金，其適宜的加工溫度范圍有限，這無(wú)疑對(duì)鍛造成品的質(zhì)量控制提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，盡管β鍛造能提供優(yōu)良的工藝性，降低變形難度?減少變形阻力，但對(duì)TA24鈦合金而言，β鍛造和熱處理后會(huì)容易導(dǎo)致硅化物的不均勻分布或生成粗大的魏氏體組織，從而削弱了合金的塑性和高溫性能，因此在大多數(shù)情況下通常并不推薦使用?

基于這些因素，對(duì)于φ1861mm×197mm的TA24餅材，鍛造過(guò)程應(yīng)選擇在α+β兩相區(qū)域進(jìn)行。首先，第一階段在兩相區(qū)的較高溫度段進(jìn)行，目的是在保持機(jī)械性能不受影響的情況下，通過(guò)適度升溫來(lái)優(yōu)化合金的工藝特性，確保可以進(jìn)行反復(fù)多次的鐓粗和拔長(zhǎng)，進(jìn)而有效優(yōu)化其內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)；第二階段鍛造選擇在較低溫度下進(jìn)行，主要目標(biāo)是促使大量均勻的等軸α相生成，以全面提升整體性能?試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，這種方法在實(shí)踐中是切實(shí)可行的?

結(jié)論

⑴φ1861mm×197mm的TA24大規(guī)格餅材采用多火次鐓拔的變形工藝，先在兩相區(qū)的上部進(jìn)行兩鐓兩拔，再采用較低溫度鐓粗滾圓拍平成餅是可行的?

⑵當(dāng)對(duì)TA24鈦合金進(jìn)行熱處理時(shí)，較低溫度下α相的體積分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定；然而，隨著溫度的提升，α相開(kāi)始溶解，其體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高而逐漸減小，與此相反，β轉(zhuǎn)變組織體積分?jǐn)?shù)在α相溶解的過(guò)程中則會(huì)呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)?

⑶依據(jù)熱處理制度發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的提高，抗拉強(qiáng)度?屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，沖擊韌性則隨著溫度的升高呈升高趨勢(shì)?

（注，原文標(biāo)題：TA24鈦合金大規(guī)格餅材工藝研究）