鍛造溫度對(duì)船舶制造用TA5徑向鍛造鈦棒材組織及性能的影響

隨著近年國家海洋資源開發(fā)及對(duì)外貿(mào)易日趨高漲，較好的抗海水腐蝕的機(jī)械裝置、艦船材料就特別需要，尤其是深海海水的強(qiáng)大壓力，需要設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，否則會(huì)出現(xiàn)失效。而鈦合金具有比強(qiáng)度高、比韌性好、耐海水腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種較為優(yōu)異的海洋工程材料，在軍用和民用設(shè)備上表現(xiàn)出較為良好的性能[1-2]。

TA5是一種全α型鈦合金，屬于中強(qiáng)合金，合金塑性較差，在初始熱加工階段極易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。但該合金具有優(yōu)良的焊接性及耐腐蝕性，也是一種較為理想的海水環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料，已被廣泛應(yīng)用于船舶制造業(yè)的各類機(jī)械部件[3-5]。由于該合金為全α型鈦合金，熱處理工藝對(duì)改善合金塑性不明顯，同時(shí)國內(nèi)船用合金近年來用量才逐步增加，所以，關(guān)于這方面的研究文獻(xiàn)較少。因此，研究溫度對(duì)徑向鍛造棒材的組織和性能的影響尤為必要和迫切。

1、試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鑄錠選用優(yōu)質(zhì)的0級(jí)小顆粒海綿鈦、鋁豆、確粉和鈦鐵合金，主元素按照中偏上配料，氧元素按照0.08wt%配料。采用OAS自動(dòng)混布料系統(tǒng)混料，分三次布料，然后進(jìn)行電極壓制，經(jīng)過三次VAR真空自耗電弧熔煉，保證真空度1Pa以下。最終制成2t直徑500mm的TA5鑄錠，化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)值及實(shí)測值見表1。采用金相法測試其相變點(diǎn)為（995+5）℃。

1.2試驗(yàn)方法

本文鍛造的TA5棒材主要分為兩個(gè)階段：第一階段采用16MN快鍛機(jī)進(jìn)行開壞和中間鍛造，經(jīng)過多火次敏拔鍛造，最后鍛造成φ120mm徑向鍛造壞料：第二階段是兩次徑向鍛造，第一次徑向鍛造加熱溫度970℃，保溫60min，從φ120mm的棒材經(jīng)過多道次徑向鍛造至φ70mm，第二次徑向鍛造至φ46mm，分別設(shè)計(jì)了四種加熱方案，具體方案見表2。方案12.3均一次徑向鍛造完成后，冷卻至室溫后，再進(jìn)行第二次加熱鍛造，鍛后空冷：方案4為第一次徑向鍛造完成后，直接進(jìn)行第二次加熱鍛造，鍛后空冷。鍛造設(shè)備采用16MN快速液壓鍛造機(jī)和SXP-13徑向鍛造機(jī)。加熱設(shè)備為3級(jí)精度要求的箱式電阻爐。熱處理設(shè)備為2級(jí)精度的箱式電阻爐。

四種工藝下鍛造后的棒材經(jīng)過700℃，60min再結(jié)晶退火后，空冷，然后在棒材1/2半徑處切取樣壞，按照GB/T228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)加工試樣，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣標(biāo)距部分直徑φ5mm、長25mm。按照GB/T5168《α-β鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行制樣及微觀組織檢測。沖擊試樣采用標(biāo)準(zhǔn)V形缺口試樣。采用INSTRON4505萬能試驗(yàn)機(jī)測定所取試樣的拉伸性能，LeicaMM-6金相顯微鏡觀察材料的顯微組織，按照GB/T5193-2007《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲波探傷方法》進(jìn)行無損檢測。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同工藝對(duì)棒材組織的影響

圖1是TA5鈦合金二次徑向鍛后棒材的顯微組織，其均是兩相區(qū)加工組織。由圖1（a）、（b）可以看出，兩次加熱溫度均在相變點(diǎn)以下的顯微組織是較為均勻細(xì)小的等軸α組織，初生α尺寸基本小于45um。但從二次徑向鍛造溫度為1010℃的圖1（c）、（d）兩張圖則明顯可以看出，圖中有很少的等軸α，局部區(qū)域有塊狀和條狀α。

從圖中也可以看到，圖1（d）中晶粒細(xì)化程度要好于圖1（C）的，由于熱回爐高溫區(qū)加熱時(shí)間相對(duì)要短，鈦臺(tái)金在相變點(diǎn)以上加熱晶粒會(huì)急劇長大。所以要得到均勻細(xì)小的等軸組織，成品鍛造溫度最好選擇在相變點(diǎn)以下。

2.2不同工藝對(duì)棒材拉伸性能的影響

從表3中測試數(shù)值可以明顯看出，在兩相區(qū)鍛造的工藝1和2，工藝1的強(qiáng)度明顯要高于工藝2約40MPa，且滿足技術(shù)協(xié)議中屈服強(qiáng)度要求，工藝2未達(dá)到要求。工藝2的伸長率明顯高于工藝1。由此可以看出，細(xì)小的晶粒對(duì)鈦合金的強(qiáng)度具有較好的貢獻(xiàn)作用，要得到較穩(wěn)定的性能就需要具有較為均勻的組織。

但從四種工藝得到的室溫性能分析，只有工藝3和4，滿足技術(shù)協(xié)議要求。工藝1和2，伸長率明顯低于要求，且工藝2屈服強(qiáng)度也不合格。而工藝4和3相比，抗拉強(qiáng)度要高出9% 左右、屈服強(qiáng)度高出6% 左右，但兩種工藝的伸長率卻相差將近10%。四種工藝只有工藝3和4,完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。

同時(shí)分析四種工藝得到的室溫拉伸性能數(shù)據(jù)，可以看出工藝2、3、4,得到的測試數(shù)值穩(wěn)定性要好于工藝1。結(jié)合圖1和表3對(duì)比分析，高溫鍛造得到的鈦合金棒材組織穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性要好。

2.3不同工藝對(duì)棒材沖擊性能的影響

表4為TA5鈦合金室溫沖擊韌性的測試值及平均值。沖擊韌性平均值符臺(tái)技術(shù)協(xié)議要求的只有工藝2、3、4，但工藝2中測試值中最小值為42.7J/cm²，遠(yuǎn)小于協(xié)議要求的53J/cm²，未能滿足技術(shù)協(xié)議要求；工藝4的沖擊韌性最高平均值達(dá)到62.3J/cm²，高出要求6% 。工藝3的沖擊韌性平均值58.8J/cm²略高于技術(shù)協(xié)議要求的58.5J/cm²。從表4中的數(shù)據(jù)分析可知，只有工藝3和4得到的棒材室溫沖擊韌性完全達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求。

結(jié)合圖1中顯微組織分析可知，圖1（c）、（d)中的初生α含量要明顯少于圖1（a)、（b),初生α含量的減少，使得裂紋萌生源減少，條狀α和初生α交錯(cuò)在一起，將會(huì)不斷改變裂紋擴(kuò)展方向，從而使裂紋路徑更加曲折，因而沖擊韌性好[6-7]。這也與表4中沖擊韌性數(shù)值變化基本一致。

2.4不同工藝對(duì)棒材探傷的影響

材料組織對(duì)雜波水平的影響是顯而易見的，采用超聲波無損檢測的方式，從雜波的高低就可以判斷出材料組織均勻性。因?yàn)槁暡ㄔ诎舨奶絺麜r(shí)，棒材中間存在障礙物時(shí)，將會(huì)影響波形，而在均勻介質(zhì)中傳播不會(huì)產(chǎn)生反射，就不會(huì)出現(xiàn)雜波。圖2為四種工藝方案得到的棒材探傷波形圖（1.2mm平底孔，2.5MHz探頭檢測）。由圖2中顯示的探傷波形圖可以看出，四種工藝下棒材探傷均滿足GB/T5193-2007標(biāo)準(zhǔn)中A1級(jí)探傷要求。

結(jié)合圖2分析可知，圖2（b）、（d）雜波相對(duì)低一些，雜波高度基本在10% 左右，且波形起伏平穩(wěn)；圖2（C）中的雜波高度基本在10% ～20% ，波形中有兩個(gè)波峰；而圖2（a）中顯示的雜波最高，達(dá)到30% 左右，且波形起伏變動(dòng)比較大。從四種工藝分析，只有工藝1的二次加熱溫度最低，其它工藝加熱要比工藝1的高30～70℃。同時(shí)結(jié)合圖1顯微組織看，四種工藝下棒材組織均為等軸組織，均勻性相對(duì)好一些的是圖1（b）、（d）。由此可得，相同組織下，均勻性好的材料探傷雜波水平要低一些。

3、 結(jié)論

（1）TA 5鈦合金棒材徑向鍛造，提高鍛造溫度有利于提高TA5鈦合金棒材的組織均勻性,也降低了初生α含量，有利于提高室溫沖擊韌性。近β區(qū)鍛造有利于提高TA5鈦臺(tái)金棒材室溫拉伸強(qiáng)度、伸長率及沖擊韌性。

（2）組織相對(duì)較為均勻的鈦合金棒材，探傷雜波水平會(huì)低一些。

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