不同工艺制备航空钛合金管的力学性能与综合成本分析

TA15钛合金的名义成分为 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V ［１］ ， 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 ［２－４］ 。 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 ［５］ ，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 ［６－８］ 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 ［９－１１］ 。 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℃。

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＜０.８ 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。

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。

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。

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 ［１２－１３］ ， 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 ［１２－１３］ 。 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。

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。

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％， Ａ ｋｖ ≥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。

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