TA15钛合金管的制备工艺及力学性能分析

TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，属于高Al当量的近α型钛合金，其主要强化机制是通过α稳定元素Al的固溶强化，加入中性元素Zr和β、稳定元素Mo和Ｖ，可以改善工艺性能 。该合金既具有α型钛合金良好的热强性和可焊性，也具有接近α＋β型钛合金的工艺塑性 ，因此，在航空领域的应用广泛，如飞机发动机叶片、机匣，飞机的各种钣金件、结构件等均采用TA15钛合金。

由于TA15钛合金的室温强度较高，其屈服强度约为900MPa，决定了该合金的管材冷加工存在很大的困难和局限性，产品主要为棒材、板材、锻件等 。随着钛合金在各种领域的应用越来越广泛，TA15钛合金管材产品的需求也逐渐增加。因此，本试验在大工业生产条件下，采用不同的工艺生产TA15钛合金管材，对比其性能、组织、外观尺寸及生产成本等方面的差异，最终可以根据客户的不同使用需求，选用最合适的工艺来生产TA15钛合金管材。

1、试验过程及方法

1.1　试验材料 

试验用的原材料为西部钛业有限责任公司使用真空自耗炉3次熔炼的TA15钛合金铸锭，铸锭的主要成分见表1，通过金相法测得其相变点为990～995℃。

表1　TA15钛合金铸锭的主要化学成分（％，质量分数）

1.2　制备工艺 

TA15钛合金铸锭经过多火次锻造为管坯棒后，分别采用棒材钻孔机加法（简称锻造法）、挤压后机加法（简称挤压法）以及斜轧穿孔后机加法（简称斜轧法）制备φ120mm×16mm规格的管材，3种工艺具体的工艺路线如下。 

锻造法：相变点以上开坯＋相变点以下墩拔＋相变点以下拔长—精锻为成品黑皮管坯棒—外车至φ120mm的成品管坯棒—下料—钻镗孔—内外表面抛光为成品管材。管材规格为φ120mm×16mm。

挤压法：相变点以上开坯＋相变点以下墩拔＋相变点以下拔长为黑皮管坯棒—下料—外车至φ213mm—芯部钻镗孔—内外包套—加热至900～960℃保温—使用卧式挤压机挤压为φ125mm×21mm规格的挤压管材—端部平齐—内孔镗孔—外表面车削为成品管材。管材规格为φ120mm×16mm。

斜轧法：相变点以上开坯＋相变点以下墩拔＋相变点以下拔长—精锻为成品黑皮管坯棒—外车至φ123mm的成品管坯棒—下料—加热至9８0～1050℃保温—使用斜轧穿孔机制备为φ125mm×21mm规格的斜轧穿孔管材—端部平齐—内孔镗孔—外表面车削为成品管材。管材规格为φ120mm×16mm。

1.3　试验方法 3种不同工艺制备的TA15钛合金管材，对比其表面质量、尺寸公差和核算成本。分别取样测试其室温拉伸、室温冲击功等各项性能，并观察对比其显微组织。

2、试验结果及讨论

2.1　表面质量 

3种不同工艺制备的TA15钛合金管材的外观如图1所示。

图1ａ为锻造管材，表面光滑，Ｒａ＜0.８μｍ，未见裂纹、磕碰等缺陷，也未见明显加工痕迹，且直线度较好。图1ｂ为挤压管材，表面铜皮附着完整、光滑，局部撕开铜皮可见纵向挤压纹路，属正常挤压痕迹。管材的整体直线度较高，外表面机加后可获得光洁的表面。图1ｃ为斜轧穿孔管材，表面为一层黑色氧化皮，整体较光滑，无明显缺陷。这是因为：斜轧穿孔时，管坯棒在变形区内被反复碾压，外表面受到径向压应力的同时，还会受到切向的拉应力和轴向的拉应力，从而螺旋前进。因此，斜轧管材表面会有一圈圈的螺旋压痕，相比其他工艺制备的管材，表面平整度和直线度较差，手摸有“波浪”的触感，且此螺旋压痕无法通过矫直的方法消除。一般来说，斜轧穿孔制备的管材径厚比越大，螺旋纹越明显，本次试验制备的φ125mm×21mm规格的管材径厚比相对较小，螺旋纹较轻，目视不太明显。外表面机加时，螺旋纹的存在会导致表面车除不均匀 。

图1　不同工艺制备的TA15钛合金管材表面质量 （ａ）锻造管材　（ｂ）挤压管材　（ｃ）斜轧穿孔管材

2.2　尺寸精度 

3种不同工艺制备的TA15钛合金管材的原始管材和机加后管材的壁厚偏差如表2所示。

表2　壁厚偏差（mm）

通过对比可以发现，锻造法制备的管材的尺寸精度高，壁厚偏差很小，在棒材中心打好定心孔后钻镗孔，内外圆同心度较高，能将尺寸精度控制在较高的水平。 

挤压法制备的管材直径较大，壁厚较厚，挤压后长度约为2ｍ，壁厚偏差约为0.6mm，属于一般精度水平。机加时因为长度较长，受到镗刀自重以及车床装配等因素的影响，机加后壁厚偏差有小幅增加，达到0.８mm，但可以满足大部分客户的使用需求。 

斜轧法制备的管材，其原始管材的壁厚偏差非常小，仅为0.4mm，但机加后，壁厚偏差增加至0.８mm，其原因与挤压法相似。对于径厚比较大的斜轧穿孔管材，由于表面螺旋纹的存在，机加时表面车除不均匀，导致壁厚偏差剧烈增加。若使用环境对表面质量和直线度的要求不高，可以保留原始斜轧表面或进行表面喷丸处理，控制壁厚偏差在较小的范围。

2.3　力学性能和显微组织 

3种不同工艺制备的TA15钛合金管材的室温拉伸性能和冲击韧性相关数据见表3。其中，Rm为抗拉强度，ＲｅＬ为屈服强度，Ａ为伸长率，Ｚ为端面收缩率，Ａｋｖ为冲击功。

从表3可以发现，3种工艺制备的TA15钛合金管材的室温力学性能和冲击韧性均满足客户的要求。将管材性能进行对比可以发现：3种工艺制备的TA15钛合金管材的抗拉强度基本相当，仅相差约20MPa；锻造法和挤压法制备的ＴＡ15钛合金管材的屈服强度相当，较斜轧法制备的TA15钛合金管材的屈服强度约高50MPa，可以认为3种工艺制备的TA15钛合金管材的强度基本处于同一水平。针对伸长率和断面收缩率两项指标，锻造法制备的TA15钛合金管材的伸长率和断面收缩率为1７.0％和4７％，挤压法制备的TA15钛合金管材的伸长率和断面收缩率为1８.5％和49％，基本无差别，而斜轧法制备的TA15钛合金管材的伸长率和断面收缩率仅为13.0％和30％，明显低于另外两种工艺。对比冲击功数值，锻造法制备的TA15钛合金管材的冲击功为39.5Ｊ，低于挤压法制备的TA15钛合金管材的冲击功4８.3Ｊ和斜轧法制备的TA15钛合金管材的冲击功50.3Ｊ，挤压法和斜轧法制备的TA15钛合金管材的冲击功可以认为处于同一水平。

表3　不同工艺制备的TA15钛合金管材的室温力学性能

根据实际的使用需求，对比3种工艺制备的TA15钛合金管材的综合性能，挤压法制备的TA15钛合金管材的综合性能最为优异，强度、塑性、冲击韧性均处于较高的水平，可以满足更多的使用需求；锻造法制备的TA15钛合金管材的综合性能也较高，强度、塑性均较好，冲击韧性良好，适用于很多高要求的工作环境；斜轧法制备的TA15钛合金管材的综合性能较低，主要缺点为塑性较差，不利于后期加工和使用，适用于性能要求较低的场合。 

3种不同工艺制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织见图2。由图2可知，锻造法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织主要为等轴初生α相＋少量条状初生α相＋晶间β相组成（图2ａ），由于锻造后空冷，晶间β相中还有细小的针状次生α相析出。其中，初生α相占比较大，约为７0％，且初生α相的晶粒非常细小，晶粒尺寸大部分约为10～15μｍ，晶界清晰、完整。根据等轴组织的性能规律，这种组织具有较好的综合性能，强度和塑性均较好，但冲击韧性相对差些。冲击断裂时，裂纹扩展分为沿晶断裂和穿晶断裂两种，等轴初生α相占比较多且晶粒细小时，裂纹主要沿着α晶界扩展，消耗能量较少，因此冲击功较小，与表3的测试结果也相吻合。挤压法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织为α＋β双态组织（图2ｂ）。由于挤压在α＋β区加热进行，在金属变形过程中晶粒沿着变形方向被压扁，沿着流动方向被拉长，形成了等轴及长条状的α＋β组织。本次试验挤压管材的壁厚较厚，挤压比仅为4.3，组织的变形程度较一般情况（挤压比为10左右）相比没那么剧烈，加之挤压后动态再结晶，因此仍有部分的等轴α组织存在。与锻造法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织相比，挤压法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织中的初生α相含量略少，约占60％，而转变的β相的含量相对增多，并且初生α相晶粒大小也相对更大一些，晶粒尺寸平均达到20～25μｍ以上，长条状的晶粒尺寸甚至能够达到50μｍ。这种类型的组织同样具有良好的综合性能，强度、塑性均很好，而且冲击断裂时，由于条状α相具有较大的纵横比，使得裂纹扩展方向频繁改变从而消耗更多能量，并且有些裂纹会穿透条状的α相内部，以穿晶断裂的方式扩展，消耗的能量更大，冲击功较高。斜轧法制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织为粗大的魏氏体组织（图2ｃ）。由于在相变点左右加热后进行加工，初生α相完全转变为β组织，并且晶粒尺寸大幅增大，冷却时β相晶内杂乱地析出大量细长的、平直的针状次生α相。此类组织的典型性能即塑性很差，伸长率和断面收缩率均较低，而冲击断裂时，晶内针状次生α相的存在使得裂纹以穿晶断裂的方式扩展，同时由于针状次生α相的分布杂乱、交错，使得裂纹扩展时消耗的能量较大，具有很高的冲击功，与表3的测试结果非常吻合。

图2　不同工艺制备的TA15钛合金管材的轴向显微组织 （ ａ）锻造法　（ｂ）挤压法　（ｃ）斜轧法

综合室温性能和轴向显微组织对比3种工艺制备的TA15钛合金管材，可以认为：挤压法和锻造法制备的TA15钛合金管材均可以获得α＋β双态组织，具有优异的组织形貌和力学性能，均可以满足各种使用要求；而斜轧法制备的TA15钛合金管材，其显微组织为粗大的魏氏体组织，塑性较差，适用于性能要求较低的零部件。

2.4　生产成本 

3种不同工艺制备的TA15钛合金管材的成材率及加工费用（折算成材率后的单价）见表4。 

表4　不同工艺制备的TA15钛合金管材的成材率及加工费

由表4可知，斜轧法制备的TA15钛合金管的成材率最高，挤压法次之，锻造法最低，成本亦是如此。

工业生产时，核算综合成本，斜轧法的成本最低；锻造法和挤压法相比，不同规格的成品的成材率有所不同，结合原材料价格和加工费的差异，两种工艺的成本互有高低，需要根据实际情况核算。

3、结论

（1）锻造法、挤压法、斜轧法均可以制备Rm为900～1130MPa，Ａ≥9％，Ｚ≥25％，Ａｋｖ≥2８Ｊ的TA15钛合金管材。 

（2）锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材的显微组织为α＋β双态组织，斜轧法制备的TA15钛合金管材的显微组织为粗大的魏氏体组织。 

（3）锻造法和挤压法制备的TA15钛合金管材的综合性能良好，但成本较高，适用制作性能要求较高的零部件。 

（4）斜轧法制备的TA15钛合金管材的塑性较差，但成本最低，适用于使用要求较低的零部件。