【钛材料讯】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 ９００ ＭＰａ， 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 ℃ 。

 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 Φ１２０ ｍｍ×１６ ｍｍ 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 Φ１２０ ｍｍ 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 Φ１２０ ｍｍ×１６ ｍｍ。

 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 Φ２１３ ｍｍ —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 Φ１２５ ｍｍ × ２１ ｍｍ 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 Φ１２０ ｍｍ × １６ ｍｍ。

 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 Φ１２３ ｍｍ 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 Φ１２５ ｍｍ × ２１ ｍｍ 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 Φ１２０ ｍｍ× １６ ｍｍ。

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. ８ μｍ， 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 Φ１２５ ｍｍ × ２１ ｍｍ 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 。

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 ２ ｍ， 壁厚偏差约为 ０. ６ ｍｍ， 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. ８ ｍｍ， 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. ４ ｍｍ， 但机加后， 壁厚偏差增加至 ０. ８ ｍｍ， 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 ２０ ＭＰａ；锻造法和挤压法制备的ＴＡ１５钛合金管屈服强度相当， 较斜轧法制备的 ＴＡ１５ 钛合金管 材的屈服强度约高 ５０ ＭＰａ， 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. ５ Ｊ， 低于挤压法制备的 ＴＡ１５ 钛合金管材的冲击功 ４８. ３ Ｊ 和斜轧法制备的 ＴＡ１５ 钛合金管材的冲击功 ５０. ３ Ｊ， 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 ～ １５ μｍ， 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 ～ ２５ μｍ 以 上， 长条状的晶粒尺寸甚至能够达到 ５０ μｍ。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。

　 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 ～ １１３０ ＭＰａ， Ａ≥９％， Ｚ≥２５％， Ａｋｖ≥２８ Ｊ 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。