预备热处理对TA15钛合金锻件室温强度的影响

TA15 是一种近α 型钛合金，具有中等强度、良好的热稳定性和焊接性能，广泛应用于航空航天工业。我公司生产的TA15 厚截面锻件，多品种多批次存在室温强度富裕量不足甚至不合格问题，不但造成了较严重的质量损失，还严重影响了交付进度。为解决TA15 锻件室温强度偏低问题，本文提出了预备热处理的方法，并进行了工艺试验，以指导TA15 锻件热加工方案设计。

一、锻件要求

我公司承制某主机厂的TA15钛锻件，其验收标准为型号专用标准，室温拉伸和室温冲击性能要求见表1。根据标准要求，锻件的显微组织应是经α+β 两相区加工后的均匀组织，并以退火状态交付，推荐的热处理制度：750 ～850℃，保温1 ～4h，空冷。

表1 TA15 锻件专用标准的室温力学性能要求

二、TA15 钛合金强化机制

TA15 钛合金主要用于飞机大型结构件，名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。一般认为，TA15 合金的强化机制主要是Al 及其他元素的固溶强化，不能通过热处理进行强化。因此TA15 钛合金在退火状态使用，此时合金的相组成是以α 相为基体，含有少量的β 相。然而根据国内研究结果，采用适当的锻造方法或热处理方法，TA15 钛合金锻件强度可以得到一定的提升，举例如下。

⑴西北有色金属研究院卢凯凯《强韧化热处理对TA15 钛合金组织和性能的影响》中，采用固溶+普通退火的热处理方式提高了TA15 锻件的强度，其主要研究成果：固溶阶段的近β 相快速水冷保留了组织中的晶体缺陷，这些晶体缺陷处为片状α 相形核提供了大量的形核中心。在第二道退火过程中，片状α 相形核并长大，最终形成由约20%的初生等轴α相和编织交错的片状α 相，以及β 相转变基体组成的三态组织。三态组织在具有较高的塑性的条件下，同时可以保持足够的强度。

⑵宝钛集团郭志军《变形参数对TA15 合金厚板显微组织及力学性能的影响》中，采用β 开坯+(α+β)大变形锻造的方式提高了TA15 板材的强度，其主要研究结果：对于TA15 钛合金,经过β区变形可获得魏氏组织或网篮状加工组织，具有较高的断裂韧性，但塑性较差；此类组织再经过较大的a+β 相区变形,可获得细小等轴的a+β 加工组织，对应优良的综合性能。

三、优化思路

综上研究结果来看，显微组织中较多的片状α且破碎程度较高时，钛锻件将获得较高的强度。然而，根据生产经验，若采用固溶+时效热处理，复杂长轴类锻件极易变形导致报废；若采用β 开坯+(α+β)大变形锻造，锻件显微组织中初生α 相含量较少，显微组织不合格的风险很大。

为了提高强度，国内有厂家采用近等温锻造。该工艺的主要实施方法是：在锻造中前几火次采用(Tβ-30)～(Tβ-50)℃较低加热温度，最后一火次采用(Tβ-10)～(Tβ-30)℃的较高加热温度，可将其显微组织初生α 相含量控制在20%～30%的范围内，以获得较高的强度。但近等温锻造过程中，锻造温度接近相变温度，锻造过程中的反热现象导致TA15 钛合金锻件产生过烧风险急剧增加，控制不当便会导致锻件整批报废。

为此，公司技术团队提出一种设想：在锻造的最终火次前，对坯料进行近β 热处理，析出更多的片状α 相；最终火次采用较大变形，增加片状α 相的破碎程度。该方法主要有如下优点。

最终火次前进行近β 热处理，加热温度选用(Tβ-25)℃，加热设备选用II 类高温电炉。近β 加热过程中，坯料显微组织中大多初生α 相将转变为β相。在近β 加热后的空冷过程中，大多转变的β 相将重新析出片条状α 相；在近β 加热后的水冷过程中，大多转变的β 相将重新析出针状α 相。无论片条状α 相还是针状α 相，在最终火次的加热过程中，都会长大，并在变形的过程中被击碎，进而达到强化作用。该方法锻造后仍采用普通退火热处理，相比固溶+时效热处理，可降低复杂长轴类锻件的变形程度；该方法锻件显微组织中仍会剩余约15%～35%的初生α 相，可满足标准要求；该方法最终火次的变形温度仍控制在(Tβ-30)～(Tβ-50)℃，可有效避免锻造温升产生的粗晶问题。

四、工艺试验

1、试验材料

采用TA15 钛合金φ100mm 规格圆棒材，测定其相变点温度为Tβ=(997±3)℃；按标准要求对材料进行复验，其力学性能指标见表2。

表2 某棒材力学性能入厂实测指标

2、试验方案

⑴下φ100mm×180mm 规格料3 件，编号试验件A/B/C。

⑵对试验件A/B 进行近β 热处理，热处理制度如下：①试验件A：(Tβ-25)℃±5℃，保温120min，流动清水冷却；②试验件B：(Tβ-25)℃±5℃，保温120min，空冷。

⑶对试验件A/B/C 进行镦粗锻造，要求如下：①加热温度：(Tβ-45)℃±10℃，保温100min；②出炉后采用1000t 快锻机进行镦粗，高度180mm 镦粗至100mm；镦粗过程一次成形，下压速度控制50 ～60mm/s。

⑷锻造结束后，对试验件A/B/C 进行退火处理。退火制度：840℃保温3h，空冷。

⑸按试验专用取样图要求检测纵向室温拉伸(2根)、纵向室温冲击(2根)、横向室温拉伸及冲击(1/2厚度2 根，1/4 厚度2 根)，过轴心低倍、心部和表皮高倍。工艺试验件解剖图如图1 所示。

图1 工艺试验件解剖图

3、结果和分析

⑴显微组织对比如图2、图3、图4、图5、图6、图7 所示。

图2 工艺试验件A 表层高倍(等轴α 相含量10%～20%)

图3 工艺试验件A 心部高倍(等轴α 相含量30%～40%)

图4 工艺试验件B 表层高倍(等轴α 相含量15%～25%)

图5 工艺试验件B 心部高倍(等轴α 相含量20%～30%)

图6 工艺试验件C 表层高倍(等轴α 相含量30%～35%)

图7 工艺试验件C 心部高倍(等轴α 相含量50%～60%)

从高倍组织来看，采用近β 加热+水冷/空冷预备热处理后，锻件高倍组织中等轴α 相明显减少，破碎的片状α 相明显增加，同样大小高倍视场中的总α 晶粒数量明显增加，达到了设计目的。而常规锻造后的锻件，初生α相明显较多，且条状α相很少。

⑵低倍组织对比如图8、图9、图10 所示。

图8 工艺试验件A 低倍组织

图9 工艺试验件B 低倍组织

图10 工艺试验件C 低倍组织

从低倍组织来看，采用近β 加热+水冷/空冷预备热处理，与常规锻造方法无明显差异，未出现粗晶或组织不均匀等低倍问题。

⑶性能对比。

表3 是3 个试验件相同取样位置的室温纵向力学性能对比。从性能结果来看，相比较常规锻造，锻前采用近β 加热+水冷/空冷预备热处理后，锻件强度总体高于常规锻造，强度提高平均约20MPa，塑性略有降低但相对标准要求仍有较大的富裕量，达到了设计目的。

表3 工艺试验件室温力学性能结果

五、结论

⑴锻前增加近β 热处理，可有效降低锻件显微组织中初生α 相含量并提升片状α 相含量，且片状α 相破碎程度较高。

⑵锻前增加近β 热处理，可提升锻件的室温强度，同时对锻件塑性和韧性的影响不大。