發布日期：2023-8-1 22:20:31
鈦及鈦合金作為一種性能優異的新材料，因具有比強度高、優良的耐腐蝕性及較高的耐熱性等優點得到了廣泛應用，與不銹鋼等耐腐蝕性金屬材料相比，鈦在抗氯離子腐蝕能力方面極強，但實踐證明，工業純鈦在高溫高濃度的氯化物中容易發生嚴重的間隙腐蝕，因此研制出Ti‒Pd合金，Ti‒Pd合金相比于工業純鈦，抗腐蝕性能尤其是在高溫高濃度氯化物抗間隙腐蝕的能力有顯著提高，但合金元素Pd異常昂貴，生產成本很，為替代昂貴的Ti‒Pd合金，美國于20世紀70年代研制了Ti‒0.3Mo‒0.8Ni合金，即TA10合金，TA10鈦合金抗腐蝕性能接近Ti‒Pd合金，由于該合金內少量的Mo、Ni存在，使之具有良好的加工性能和綜合機械性能[1]，且成本相對低廉，在化學工業、石油工業、海洋工程等部門得到了廣泛的應用，是制造高溫、高壓、高腐蝕工況下工作的管路、法蘭、彎頭、三通等零件的優良材料。
隨著化工、石油等行業的發展，尤其是發達國家深海油氣田項目的開展，在原材料具備良好的抗腐蝕性能的條件下，對材料力學性能提出較高的要求，并且零件向大型化方向發展，這就需要原材料生產廠家進一步挖掘材料潛力，提高鍛件生產技術，掌握超大規格鍛件組織性能控制方法。本文研究了橫截面積超過520mm×560mm，質量達800kg的超大規格TA10鈦鍛件化學成分及變形量與組織性能關系，旨在得到優化的化學成分和鍛造工藝的匹配，為實際產品的生產提供理論依據。
一、試驗材料與方法
試驗采用新疆湘潤新材料科技有限公司生產的TA10鑄錠，按2種方案配料，經真空自耗電弧爐2次熔煉，熔煉完成后從鑄錠中部取樣，進行成分分析，各元素含量見表1，可以看出，試樣A中Mo、Ni、Fe、O等合金元素及雜質元素含量均較低，試樣B提高了主要合金元素和雜質元素的含量，引入較多量雜質元素的Fe。
鍛件采用符合AMS2750E要求的四級爐(爐溫均勻性±14°C)進行加熱及熱處理，在45MN快鍛機上鍛造，鑄錠經由相變點上鐓拔開坯，然后進行相變點下多火次鐓粗—拔長鍛造，變形速度60mm/s，每次鐓粗變形量分別為30%、40%、50%，終鍛溫度控制在650~700°C，鍛后坯料經600°C保溫3h，空冷后，分別從方坯的最心部切取橫縱向拉伸及顯微組織試樣，取樣位置見圖1，經數控車床按ASTME8要求加工成ϕ12.5mm的標準拉伸試樣，采用CMT5205電子拉伸試驗機測定拉伸性能，采用舜宇光學ICX41M倒置式金相顯微鏡觀察顯微組織。
二、結果與討論
化學成分及變形量對顯微組織的影響
化學成分及變形量對TA10超大規格鍛件的顯微組織有明顯影響，溶質原子含量較低時，初生α相有長大、合并的現象，變形量越大，該現象越明顯，并且在較大變形量時，從β轉變組織中析出少量次生α相。提高合金元素及雜質元素的含量，初生α相細化，但隨著變形量的增加，β轉變組織相應增加，從β轉變組織中析出的次生α相厚度不斷增加，縱向組織呈明顯的帶狀分布。
氧屬于間隙型α穩定元素，鐵屬于共析型β穩定元素，鐵在β鈦中最大固溶度為25%，在α鈦中的最大固溶度為0.5%，由此可見鐵作為雜質元素添加進鈦合金，質量分數控制在0.3%以內時，也能完全固溶于α相中，且鐵元素屬于慢共析元素，本身不易發生共析反應，因此，微量鐵元素的加入，難以增加β相含量或形成共析產物，對合金的組織結 構幾乎沒有影響，但隨著鐵、氧含量的增加，可以增強固溶強化的效果，并且對熱加工過程中組織演變起到一定作用。
科研人員利用有限元模擬，對鐓粗過程應變場、溫度場有較為深入的研究，文獻[2]指出，平板間鐓粗劇烈變形區的等效應變高，溫升高，當變形溫度與變形速度相同時，隨著壓下量的增加，溫升相應增加，該鍛件最小散熱厚度達300mm，在鈦合金低導熱性作用下，鐓粗后心部熱量散失很慢，并且由于鐓粗變形量大，其后續后拔長過程變形量也相應增大，更進一步增加了心部的溫升，故隨著鐓粗變形量的增大，鍛造過程中鍛件心部會產生明顯的溫升效應，鍛件心部開始發生α→β相變，變形量越大，溫升越劇烈，轉變成的β相越多。圖2和圖3分別為A成分經相變點下不同鐓粗變形量生產鍛件的顯微組織，可以看出，初生α相晶界不明顯，晶粒有一定程度的合并現象，且隨著變形量的增加初生α相晶粒合并現象加重，這是由于鍛件經過變形后，變形給予的儲能與溫升均較大，且鍛件規格本身較大，隨后的冷卻過程較為緩慢，有一定的爐冷效應，初生α相先以消耗周邊β相的機制長大，但當相變達到平衡后，組織中儲能較小，長時間保溫(緩冷)時，在界面張力作用下通過晶界遷移機制完成長大[3]。
圖4和圖5分別為B試樣經相變點下不同鐓粗變形量生產鍛件的顯微組織，可以看出，B試樣鍛件初生α相晶粒更細小，并且無論變形量多少，初生α相晶界完整，這是由于β轉變組織中析出相對較多的次生α相，次生α相有明顯的長大趨勢，阻礙了初生α相的長大。
對比A試樣和B試樣顯微組織，A試樣合金變形量較小時，鍛件心部橫縱向顯微組織為等軸初生α相+少量β轉變組織，其中縱向顯微組織中初生α相和β轉變組織均有一定程度的拉長，β轉變組織內無次生α相析出，隨著鐓粗變形量的增加，β轉變組織含量增加，且β轉變組織中析出短棒狀的次生α相，鐓粗變形量越大，次生α相含量越高，片層厚度越大，但總的析出量及片層厚度均有限，縱向組織中初生α相及β轉變組織拉長越明顯。B試樣合金橫向顯微組織均為等軸初生α相+β轉變組織，30%變形時即出現短棒狀次生α相，隨著鐓粗變形量的增加，初生α相含量減少，β轉變組織增加，其中次生α相數量、片層厚度與長度急劇增加，至50%變形時，次生α相面積分數超過50%，且呈現片層狀網籃交織排列。縱向顯微組織中α相和β轉變組織均有明顯拉長，呈帶狀分布，拉長程度不隨鐓粗變形量的變化而變化。對于β轉變組織中次生α相形成的原因，可以認為由以下2種因素作用，一是由于變形量的增加，增加了儲能和溫升，二是由于溶質原子造成的晶格畸變，為次生α相的形核創造了條件，溶質原子含量越高，晶格畸變越嚴重，β→α轉變時次生α形核率越高，故溶質原子含量低且變形量不足，系統供給能量不足以支持次生α相形核，以初生α相的長大為主。對于次生α相長大并且呈相互垂直分布的原因，可以認為α到β相轉變時取向關系嚴格受Burgers取向關系約束，而β相到α相的轉變過程中最多有12個不同取向，但實際轉變過程中有重要的變量選擇，晶界α相首先形核，并依賴于臨近的β相取向[4]，壓力加工過程中由于變形參數的不同，特定取向也有所不同，并且由于內部晶界的幾何取向的限制，α相只能向固定的方向生長 [5]，更進一步限制了其生長的方向。最后由于鍛件自身的緩冷作用，導致次生α相片層均較厚。
化學成分及變形量對力學性能的影響
兩種試樣的橫、縱向室溫拉伸各項指標的變化趨勢見圖6，可以看出，A、B兩種試樣的鍛件強度隨變形量的增加而減少，塑性指標A試樣明顯高于B試樣，但B試樣在小變形量下的橫向強度、塑性均達到最高，各向異性明顯。
A試樣不同鐓粗變形量鍛件的室溫拉伸性能見表2，可以看出溶質原子含量較低時，隨著鐓粗變形量的增加，鍛件抗拉強度略微下降，屈服強度顯著下降，根據柯垂爾理論，溶質原子對位錯的釘扎作用是影響屈服強度的關鍵因素，合金中存在少量的β相穩定元素Fe、Mo、Ni，作為溶質原子穩定下來的平衡態的β相沿晶界分布，并在晶界β相中偏聚，對位錯釘扎作用較強，但隨著晶界的合并消失，導致晶界對位錯運動阻礙作用減弱甚至消失，晶界強化作用減弱，導致過早屈服，抗拉強度也隨之減弱。而在不小于40%變形量下，縱向強度較低，有一定的各向異性，從圖2和圖3可以看出，橫向顯微組織等軸化較好，晶界合并效應沒有縱向明顯，因此對強度有一定的提高作用。A試樣塑性指標在不同變形量的情況下變化不大，可以認為塑性指標基本不隨變形量的變化而變化。
B試樣不同鐓粗變形量鍛件的室溫拉伸性能見表3，溶質原子含量較高時，較小的鐓粗變形量可使產品的橫向力學性能有明顯提高，這是由于Ti的原子半徑為0.147nm，Fe的原子半徑為0.127nm，二者差異較為明顯，因此，當鈦合金中Fe、Mo、Ni等溶質原子含量增多時，原子半徑差異使其晶格畸變能增加，在變形過程中晶粒內部可動位錯的滑移阻力增大，因而合金的強度提高。加入少量β穩定元素Fe、Mo、Ni，一方面，晶界增多，使晶粒細化，在同樣變形量下，變形分散在更多的晶界和晶粒內進行，變形更均勻，引起的應力集中減小；另一方面，β相的滑移系較α相多，有利于位錯的滑移和攀移。因此，增加β穩定元素含量有利于提高鈦合金的塑性[6]，從過往研究結果及生產實際來看，O含量的增加對提高鈦及鈦合金的強度有明顯作用，但會使塑性急劇下降，由于O含量的提高，使合金塑性明顯下降，導致B試樣的塑性不如A試樣。與橫向拉伸性能相比，鍛件縱向抗拉強度較低，屈服強度嚴重降低，塑性指標也有一定的差異，各向異性嚴重，與縱向組織呈帶狀分布有明顯對應關系，這主要是因為α相密排六方結構的固有特性，變形后產生晶體學織構，再結晶退火后更加顯著[7]，隨著鐓粗變形量增加到50%，橫縱向強度、塑性均急劇降低，這是由于厚度較大的片層狀次生α相含量增加導致的。
三、結論
(1)由于溫升效應，提高變形量，將導致晶粒粗化，β轉變組織含量增加，次生片狀α相增厚，室溫拉伸性能降低。
(2)提高合金元素及雜質元素的含量，更易形成β轉變組織，初生α相含量、尺寸減小，縱向組織呈明顯的帶狀分布，鍛件的橫向力學性能提升明顯，但造成塑性下降及強烈的各向異性。
(3)對于超大規格TA10鈦鍛件生產，綜合考慮溫升、散熱及變形因素，為保證心部性能，鑄錠制備時將合金元素和雜質元素控制在較低水平，鐓粗變形量控制在30%，可獲得均衡、穩定的顯微組織和橫、縱向力學性能的最佳匹配。
參考文獻
[1]孫浩.TA10鈦合金熱壓縮變形行為及組織演變研究[學位論文].洛陽:河南科技大學,2018：5
[2]羅文波,胡云貴,胡自化,等.圓柱體平板間鐓粗的熱力學分析.塑性工程學報,2000，7(1)：64
[3]黃愛軍,徐鋒,李閣平,等.TC6鈦合金中等軸初生α相的析出長大行為.金屬學報,2002，38(增刊)：217
[4]LeysnsC,PetersM.鈦與鈦合金.北京:化學工業出版社,2005
[5]FanXG,YangH,GaoPF.Morphologytransformationofprimarystripαphaseinhotworkingoftwo-phasetitaniumalloy.TransNonferrousMetSocChina，2017，27(06)：1294
[6]毛成亮,趙彬,賈蔚菊,等.Fe元素含量對鈦合金性能的影響.鈦工業進展,2019，36(2)：42
[7]張慧儒.兩相鈦合金熱加工組織與織構演變研究進展.廣州化工,2011，39(04)：36
作者簡介：
張起(1987—)男工程師
現任新疆湘潤新材料科技有限公司鍛造廠副廠長。
研究方向：鈦合金塑性成型；通訊地址：新疆哈密伊州區花園鄉新疆湘潤新材料科技有限公司；E-mail：358481929@qq.com。