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不同工藝制備TA15鈦合金管的力學(xué)性能與綜合成本分析
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不同工藝制備TA15鈦合金管的力學(xué)性能與綜合成本分析

發(fā)布時間 :2023-03-09 06:06:58 瀏覽次數(shù) :

TA15鈦合金的名義成分為 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V [1] , 屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金, 其主要強(qiáng)化機(jī)制是通過α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)化, 加入中性元素Zr和β、 穩(wěn)定元素Mo和V, 可以改善工藝性能 [2-4] 。 該合金既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性, 也具有接近 α+β 型鈦合金的工藝塑性 [5] ,因此, 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛, 如飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片、機(jī)匣, 飛機(jī)的各種鈑金件、 結(jié)構(gòu)件等 [6-8] 均采用TA15鈦合金。

鈦合金管

由于 TA15鈦合金的室溫強(qiáng)度較高, 其屈服強(qiáng)度約為900MPa, 決定了該合金的管材冷加工存在很大的困難和局限性,產(chǎn)品主要為棒材、板材、鍛件等 [9-11] 。 隨著鈦合金在各種領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,TA15鈦合金管材產(chǎn)品的需求也逐漸增加。 因此,本試驗在大工業(yè)生產(chǎn)條件下, 采用不同的工藝生產(chǎn)TA15鈦合金管材, 對比其性能、 組織、 外觀尺寸及生產(chǎn)成本等方面的差異,最終可以根據(jù)客戶的不同使用需求, 選用最合適的工藝來生產(chǎn)TA15鈦合金管材。

1、試驗過程及方法

1.1 試驗材料

試驗用的原材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司使用真空自耗爐3次熔煉的TA15鈦合金鑄錠, 鑄錠的主要成分見表1, 通過金相法測得其相變點為990~995℃。

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1.2 制備工藝

TA15鈦合金鑄錠經(jīng)過多火次鍛造為管坯棒后,分別采用棒材鉆孔機(jī)加法 (簡稱鍛造法)、 擠壓后機(jī)加法 (簡稱擠壓法) 以及斜軋穿孔后機(jī)加法 (簡稱斜軋法) 制備 Φ120mm×16mm規(guī)格的管材, 3種工藝具體的工藝路線如下。

鍛造法: 相變點以上開坯+相變點以下墩拔+相變點以下拔長—精鍛為成品黑皮管坯棒—外車至Φ120mm的成品管坯棒—下料—鉆鏜孔—內(nèi)外表面拋光為成品管材。 管材規(guī)格為Φ120mm×16mm。

擠壓法: 相變點以上開坯+相變點以下墩拔+相變點以下拔長為黑皮管坯棒—下料—外車至Φ213mm—芯部鉆鏜孔—內(nèi)外包套—加熱至900~960℃ 保溫—使用臥式擠壓機(jī)擠壓為 Φ125mm×21mm規(guī)格的擠壓管材—端部平齊—內(nèi)孔鏜孔—外表面車削為成品管材。 管材規(guī)格為Φ120mm×16mm。

斜軋法: 相變點以上開坯+相變點以下墩拔+相變點以下拔長—精鍛為成品黑皮管坯棒—外車至Φ123mm的成品管坯棒—下料—加 熱至980~1050℃保溫—使用斜軋穿孔機(jī)制備為Φ125mm×21mm規(guī)格的斜軋穿孔管材—端部平齊—內(nèi)孔鏜孔—外表面車削為成品管材。 管材規(guī)格為Φ120mm×16mm。

1.3 試驗方法

3種不同工藝制備的TA15鈦合金管材,對比其表面質(zhì)量、尺寸公差和核算成本。 分別取樣測試其室溫拉伸、室溫沖擊功等各項性能, 并觀察對比其顯微組織。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1 表面質(zhì)量

3種不同工藝制備的 TA15鈦合金管材的外觀如圖1所示。 圖1a為鍛造管材,表面光滑,Ra<0.8 μm, 未見裂紋、 磕碰等缺陷,也未見明顯加工痕跡,且直線度較好。 圖1b為擠壓管材, 表面銅皮附著完整、 光滑, 局部撕開銅皮可見縱向擠壓紋路,屬正常擠壓痕跡。 管材的整體直線度較高, 外表面機(jī)加后可獲得光潔的表面。 圖1c為斜軋穿孔管材,表面為一層黑色氧化皮, 整體較光滑, 無明顯缺陷。

t1.jpg

這是因為: 斜軋穿孔時, 管坯棒在變形區(qū)內(nèi)被反復(fù)碾壓, 外表面受到徑向壓應(yīng)力的同時, 還會受到切向的拉應(yīng)力和軸向的拉應(yīng)力, 從而螺旋前進(jìn)。 因此,斜軋管材表面會有一圈圈的螺旋壓痕, 相比其他工藝制備的管材, 表面平整度和直線度較差, 手摸有“波浪” 的觸感, 且此螺旋壓痕無法通過矯直的方法消除。 一般來說, 斜軋穿孔制備的管材徑厚比越大, 螺旋紋越明顯, 本次試驗制備的Φ125mm×21mm規(guī)格的管材徑厚比相對較小, 螺旋紋較輕,目視不太明顯。 外表面機(jī)加時, 螺旋紋的存在會導(dǎo)致表面車除不均勻。

2.2 尺寸精度

3種不同工藝制備的TA15鈦合金管材的原始管材和機(jī)加后管材的壁厚偏差如表2所示。

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通過對比可以發(fā)現(xiàn), 鍛造法制備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鉆鏜孔, 內(nèi)外圓同心度較高, 能將尺寸精度控制在較高的水平。

擠壓法制備的管材直徑較大, 壁厚較厚, 擠壓后長度約為2m, 壁厚偏差約為0.6mm, 屬于一般精度水平。 機(jī)加時因為長度較長, 受到鏜刀自重以及車床裝配等因素的影響, 機(jī)加后壁厚偏差有小幅增加, 達(dá)到0.8mm, 但可以滿足大部分客戶的使用需求。

斜軋法制備的管材, 其原始管材的壁厚偏差非常小, 僅為0.4mm, 但機(jī)加后, 壁厚偏差增加至0.8mm, 其原因與擠壓法相似。 對于徑厚比較大的斜軋穿孔管材, 由于表面螺旋紋的存在, 機(jī)加時表面車除不均勻, 導(dǎo)致壁厚偏差劇烈增加。 若使用環(huán)境對表面質(zhì)量和直線度的要求不高, 可以保留原始斜軋表面或進(jìn)行表面噴丸處理, 控制壁厚偏差在較小的范圍。

2.3 力學(xué)性能和顯微組織

3種不同工藝制備的 TA15鈦合金管材的室溫拉伸性能和沖擊韌性相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。 其中, Rm為抗拉強(qiáng)度,ReL為屈服強(qiáng)度, A為伸長率, Z為端面收縮率,Akv為沖擊功。

從表3可以發(fā)現(xiàn),3種工藝制備的 TA15鈦合金管材的室溫力學(xué)性能和沖擊韌性均滿足客戶的要求。

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將管材性能進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn):3種工藝制備的TA15鈦合金管材的抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng), 僅相差約20MPa; 鍛造法和擠壓法制備的TA15鈦合金管材的屈服強(qiáng)度相當(dāng), 較斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的屈服強(qiáng)度約高 50MPa, 可以認(rèn)為3種工藝制備的TA15鈦合金管材的強(qiáng)度基本處于同一水平。 針對伸長率和斷面收縮率兩項指標(biāo), 鍛造法制備的TA15鈦合金管材的伸長率和斷面收縮率為 17.0%和47%, 擠壓法制備的 TA15鈦合金管材的伸長率和斷面收縮率為18.5%和49%, 基本無差別, 而斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的伸長率和斷面收縮率僅為13.0%和30%, 明顯低于另外兩種工藝。 對比沖擊功數(shù)值, 鍛造法制備的TA15鈦合金管材的沖擊功為39.5J, 低于擠壓法制備的 TA15鈦合金管材的沖擊功48.3J和斜軋法制備的TA15鈦合金管材的沖擊功50.3J, 擠壓法和斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的沖擊功可以認(rèn)為處于同一水平。

根據(jù)實際的使用需求, 對比3種工藝制備的TA15鈦合金管材的綜合性能, 擠壓法制備的TA15鈦合金管材的綜合性能最為優(yōu)異, 強(qiáng)度、 塑性、 沖擊韌性均處于較高的水平, 可以滿足更多的使用需求; 鍛造法制備的 TA15鈦合金管材的綜合性能也較高, 強(qiáng)度、 塑性均較好, 沖擊韌性良好, 適用于很多高要求的工作環(huán)境; 斜軋法制備的TA15鈦合金管材的綜合性能較低, 主要缺點為塑性較差, 不利于后期加工和使用, 適用于性能要求較低的場合。

3種不同工藝制備的 TA15鈦合金管材的軸向顯微組織見圖2。 由圖2可知, 鍛造法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織主要為等軸初生α相+少量條狀初生α相+晶間 β 相組成 (圖 2a), 由于鍛造后空冷, 晶間β相中還有細(xì)小的針狀次生α相析出。 其中, 初生α相占比較大, 約為70%, 且初生α 相的晶粒非常細(xì)小, 晶粒尺寸大部分約為10~15μm, 晶界清晰、 完整。 根據(jù)等軸組織的性能規(guī)律, 這種組織具有較好的綜合性能, 強(qiáng)度和塑性均較好, 但沖擊韌性相對差些。 沖擊斷裂時, 裂紋擴(kuò)展分為沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種, 等軸初生α相占比較多且晶粒細(xì)小時, 裂紋主要沿著α晶界擴(kuò)展,消耗能量較少 [12-13] , 因此沖擊功較小, 與表3的測試結(jié)果也相吻合。 擠壓法制備的TA15鈦合金管材的軸向顯微組織為 α+β 雙態(tài)組織 (圖 2B)。 由于擠壓在α+β 區(qū)加熱進(jìn)行, 在金屬變形過程中晶粒沿著變形方向被壓扁, 沿著流動方向被拉長, 形成了等軸及長條狀的α+β組織。 本次試驗擠壓管材的壁厚較厚, 擠壓比僅為4.3, 組織的變形程度較一般情況 (擠壓比為 10左右) 相比沒那么劇烈, 加之?dāng)D壓后動態(tài)再結(jié)晶, 因此仍有部分的等軸α組織存在。 與鍛造法制備的 TA15鈦合金管材的軸向顯微組織相比, 擠壓法制備的 TA15鈦合金管材的軸向顯微組織中的初生α相含量略少, 約占60%, 而轉(zhuǎn)變的 β 相的含量相對增多, 并且初生α相晶粒大小也相對更大一些, 晶粒尺寸平均達(dá)到20~25μm 以上, 長條狀的晶粒尺寸甚至能夠達(dá)到50μm。 這種類型的組織同樣具有良好的綜合性能, 強(qiáng)度、 塑性均很好, 而且沖擊斷裂時, 由于條狀α相具有較大的縱橫比, 使得裂紋擴(kuò)展方向頻繁改變從而消耗更多能量, 并且有些裂紋會穿透條狀的α相內(nèi)部, 以穿晶斷裂的方式擴(kuò)展, 消耗的能量更大, 沖擊功較高 [12-13] 。 斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的軸向顯微組織為粗大的魏氏體組織 (圖 2c)。 由于在相變點左右加熱后進(jìn)行加工, 初生α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣陆M織, 并且晶粒尺寸大幅增大, 冷卻時β相晶內(nèi)雜亂地析出大量細(xì)長的、 平直的針狀次生α相。 此類組織的典型性能即塑性很差,伸長率和斷面收縮率均較低, 而沖擊斷裂時, 晶內(nèi)針狀次生α相的存在使得裂紋以穿晶斷裂的方式擴(kuò)展, 同時由于針狀次生α相的分布雜亂、 交錯, 使得裂紋擴(kuò)展時消耗的能量較大, 具有很高的沖擊功, 與表3的測試結(jié)果非常吻合。

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綜合室溫性能和軸向顯微組織對比3種工藝制備的 TA15鈦合金管材, 可以認(rèn)為: 擠壓法和鍛造法制備的 TA15鈦合金管材均可以獲得 α+β 雙態(tài)組織, 具有優(yōu)異的組織形貌和力學(xué)性能, 均可以滿足各種使用要求; 而斜軋法制備的 TA15鈦合金管材,其顯微組織為粗大的魏氏體組織, 塑性較差, 適用于性能要求較低的零部件。

2.4 生產(chǎn)成本

3種不同工藝制備的 TA15鈦合金管材的成材率及加工費用 (折算成材率后的單價) 見表4。

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由表 4 可知, 斜軋法制備的 TA15鈦合金管的成材率最高, 擠壓法次之, 鍛造法最低, 成本亦是如此。

工業(yè)生產(chǎn)時, 核算綜合成本, 斜軋法的成本最低; 鍛造法和擠壓法相比, 不同規(guī)格的成品的成材率有所不同, 結(jié)合原材料價格和加工費的差異, 兩種工藝的成本互有高低, 需要根據(jù)實際情況核算。

3、結(jié)論

(1) 鍛造法、 擠壓法、 斜軋法均可以制備Rm為900~1130MPa, A≥9%, Z≥25%, A kv ≥28 J 的TA15鈦合金管材。

(2) 鍛造法和擠壓法制備的 TA15鈦合金管材的顯微組織為 α+β 雙態(tài)組織, 斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的顯微組織為粗大的魏氏體組織。

(3) 鍛造法和擠壓法制備的 TA15鈦合金管材的綜合性能良好, 但成本較高, 適用制作性能要求較高的零部件。

(4) 斜軋法制備的 TA15鈦合金管材的塑性較差, 但成本最低, 適用于使用要求較低的零部件。

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