锻造温度对TA5-A钛合金棒组织及性能的影响

1、 前言

TA5-A 钛合金名义成分为 Ti-4Al-0.005B，是一种具有中等强度的钛合金，属于典型的 α 合金。该合金具有良好的焊接性能和耐蚀性，可在海水环境下工作，是船舶制造行业的理想结构材料，可加工成板材、棒材和锻件，尤其适用于各类兵器制造[1]。

本文采用不同温度下加热后进行镦粗的变形工艺方案，对 TA5-A 钛合金棒材进行工艺试验，经热处理后，检测高倍组织和力学性能，分析研究了变形工艺对该合金综合力学性能和微观组织的影响规律，为选择该合金压力加工工艺提供参考依据。

2 、实验材料和方法

试验采用宝鸡钛业股份有限公司真空自耗电弧炉熔炼生产的 Ф620mmTA5-A 钛合金铸锭，其成分为（wt%）：

Al 4.1，B 0.004~0.005，Fe 0.22~0.23，C 0.02，N ≤ 0.01，H ≤ 0.004，O ≤ 0.09，Y ≤ 0.005，符合《钛及钛合金牌号和化学成分》（GB/T3620.1-2007），（α+β）/β 转化温度为 1000~1010℃。该铸锭在 β 相区开坯，经多火次锻造，并在 α+β 相区经过 40% 的变形，生产为 Ф120mm 的棒材，棒材的组织和性能分别见图 1 和表 1。

不同加热温度下的镦粗变形试验方案如下 ：

方案 1 ：960℃加热，变形量 ε=55%

方案 2 ：980℃加热，变形量 ε=55%

方案 3 ：1030℃加热，变形量 ε=55%

按上述不同工艺镦粗后所获得的饼材，切取弦向试样，试样经 840℃ / 2h.AC 热处理后进行性能测试和微观组织观察。

3、 试验结果与讨论

3.1 镦粗变形工艺对微观组织的影响

不同变形工艺的镦粗饼材显微组织如图 2。从图中可以看出，这三种工艺得到的组织与棒坯有明显的差异。α+β相区镦粗的饼材（方案 1 和方案 2）其显微组织为典型等轴α 组织。因为镦粗变形时，坯料心部位置为最大变形区，边部位置为自由变形区，心部坯料变形较大，所以 α 晶粒比边部细小。而方案 1 比方案 2 的变形温度更低，其 α 相细化程度较方案 2 好 ；方案 3 为 β 相变形，其显微组织为针状 α束相互穿插分布的网篮组织。

3.2 镦粗变形工艺对力学性能的影响

三种不同变形工艺生产的饼材，在 D/4 处取弦向试样，分别检测室温拉伸性能和冲击韧性，检测结果见表 2。从表1 和表 2 可以看出 ：与 Ф120mm 棒材的性能相比，三种工

艺下的均比棒材的强度有所改善。综合分析，采用不同的镦粗变形方式可使镦粗后饼材的强度、冲击性能均有所改变。

经方案 1 和方案 2 生产的饼材，其显微组织形貌与本体差别不大，均为等轴 α 组织，只是经过变形后，晶粒更加细小。力学性能中强度和塑性均有所增加，这是因为坯料在经过变形后，晶粒得到一定细化，通过细晶强化作用使坯料的强度和塑性均提高。冲击韧性有所降低，这是由于针对等轴 α 组织，其 V 型冲击缺口应力集中系数较大，等轴 α相的抗裂纹萌生作用减小，裂纹扩展路径对冲击韧性的影响占主导作用，变形后的组织（方案 1 和方案 2）其 α 颗粒球化程度更好，裂纹扩展路径减小，导致冲击韧性有所降低。

方案 3 生产的饼材，其抗拉强度提高约 40MPa，塑性略有降低，冲击韧性提高较为明显。这是由于变形后组织与坯料有较大变化，为典型的网篮组织。较于等轴组织而言，网篮组织有强度、韧性高，塑性低的特点。由于片状 α 相能够有效的增加裂纹扩展路径，所以其冲击韧性值比较高。

4、 结论

（1）三种镦粗变形工艺得到的组织有明显差异，β 区加热变形后得到的组织为网篮组织，组织较为粗大，晶界不明显。（α+β）区加热变形后得到细等轴组织。

（2）β 区加热变形得到的片层状组织与（α+β）区加热变形得到的等轴组织相比，塑性略有降低，强度和冲击韧性提高。特别是冲击性能提高非常明显。

（3）实际生产中，对于冲击韧性要求较高时，应采用 β锻工艺。在保证 TA5-A 钛合金具有一定塑性的前提下，可明显提高冲击韧性指标。同时可保证坯料在锻造过程中具有良好的加工塑性。

参考文献：

[1]Wang Jinyou（王金友）et al. 航空用钛合金 [M]，上海，上海科学技术出版社，1985

[2]Cao Chunxiao（曹春晓）et al.Rare metals letters（稀有金属快报）[J]，2006，No.1 ：17

[3]Wei Shouyong（魏寿庸）et al. 有色金属加工，1988，No.2