退火對高Mo當量大型TA15鈦合金鍛件組織與拉伸性能的影響

曾 菁,王曉巍,余勝峰,莫安軍,陳先國,劉鵬茹

(1.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川 德陽 618013) (2.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110034)

TA15鈦合金對應俄羅斯BT20鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是典型的近α型鈦合金[1]。與TC4鈦合金相比，TA15鈦合金不僅具有良好的熱穩定性和可焊性，而且具有更高的室溫和高溫強度，在航空航天發動機上得到了廣泛應用[2-3]。按名義成分計算，TA15鈦合金的Mo當量為1.7，工程生產時，可根據不同產品的特定性能指標要求，在成分上下限范圍內，適當調整Mo和V的含量，故不同批次TA15鈦合金材料的Mo當量有所差別。TA15鈦合金穩定狀態時的β相含量較少，熱處理強化效果極為有限，因此對于普通應用的鍛件產品，工程上最為常用的熱處理方式是普通退火[1,4]，即通過回復再結晶作用消除殘余應力，穩定組織[5]。增加Mo當量有助于提高熱處理強化的效果。

我國TA15鈦合金鍛件國產化大致經歷了消化、吸收及再創新的發展歷程。根據用戶對鍛件重量、截面厚度及性能要求的不同，可靈活調控合金成分，制定合適的熱處理制度。對于強度要求較低的中小型鍛件，控制合金成分時采用較低的Mo當量，并選用簡單的普通退火工藝進行熱處理。已有研究表明，隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金的拉伸強度呈下降趨勢[2]。但隨著飛機結構鍛件向大型化、整體化發展，TA15鈦合金大型復雜結構鍛件經常出現拉伸強度不達標的問題，因此，在成分控制時需適當增加Mo和V的含量來提升強度性能，實際成分的Mo當量往往超過2.5。研究表明，采用小噸位壓機及多火次小變形方式成形的高Mo當量TA15鈦合金鍛件，隨著退火溫度的升高，拉伸強度呈增高趨勢[6]。

2012年，中國第二重型機械集團有限公司建造并投產了800 MN模鍛壓機，可實現大型鈦合金結構鍛件少火次大變形的鍛造成形。與小型鍛件和小變形獲得的鍛件相比，此類高Mo當量、少火次大變形成形的大型鍛件，初始組織的應變能和內應力更大，導致再結晶溫度有所降低，退火過程中的組織演變更加復雜，而且高Mo當量還增強了熱處理強化的效果。另外，大規格鈦合金鍛件的少火次大變形鍛造，勢必引起鍛件內應力的增大，需要進行退火處理消除內應力。鍛件經焊接、機械加工等工序后也會產生殘余應力，需重復進行退火處理，但多次重復退火處理是否影響其組織與性能尚不清楚。

為了滿足航空航天對高強、大規格鍛件的需求，以高Mo當量、大變形的大型TA15鈦合金結構鍛件為對象，研究了退火溫度、預先熱處理及多次重復退火對鍛件拉伸性能的影響規律，以期為制定和優化退火工藝參數提供依據。

1 實 驗

實驗材料為φ350 mm TA15鈦合金棒材，其化學成分見表1。根據當量計算公式[7]，該合金的Mo當量高達3.46。經金相法測定，其β相轉變溫度(Tβ)為988 ℃。

化學成分因素是導致該合金出現熱處理強化的前提，而退火過程中出現的再結晶軟化與析出強化是出現上述規律的根本原因。不論是再結晶還是形成析出相均是熱激活過程，需要能量作為驅動力。退火溫度由700 ℃升高至840 ℃時，再結晶軟化起主導作用，因而強度呈降低趨勢；退火溫度為840～880 ℃時，析出次生α相的強化起主導作用，再結晶軟化起次要作用，因而強度增大；退火溫度超過880 ℃后，再結晶軟化起主導作用(析出的過時效也是軟化的原因)，初生α相比例減少也是強度下降的原因之一。

表1 TA15鈦合金棒材的化學成分 (w/%)

圖1為大規格TA15鈦合金鍛件的室溫拉伸性能隨退火溫度的變化曲線。從圖1可以看出，隨著退火溫度的升高，TA15鈦合金鍛件的拉伸強度呈現先降低后升高再降低的變化趨勢，并在880 ℃時抗拉強度達到最大，而塑性隨退火溫度的變化不明顯。這與傳統意義的BT20或TA15鈦合金小規格鍛件強度隨退火溫度升高而下降[2]，或大規格鍛件強度隨退火溫度升高而升高的規律不同[6]。這種不同與材料的化學成分、再結晶程度及次生相的析出有關[8-9]。首先是化學成分的影響，通常小規格鍛件的β穩定元素含量取中下限，反映在Mo當量上應小于2.5，而該合金的Mo當量為3.46，成分已屬于α+β型兩相鈦合金范疇，存在通過熱處理強化的可能性。

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2 結果與分析

2.1 退火溫度對組織與拉伸性能的影響

為了減小力學性能數據的分散性，模擬大變形鍛件成形方式對棒材進行兩火自由鍛+兩火模鍛，得到規格為1200 mm×670 mm×160 mm的TA15鈦合金鍛件，總變形量為30%～40%。從TA15鈦合金鍛件上切取φ20 mm×90 mm試棒若干，對其進行不同制度熱處理：① 分別在700、750、800、840、880、930、950 ℃進行退火處理，保溫1 h，空冷；② 探索2次退火工藝的可行性，即先進行一次800 ℃/1 h/AC預先熱處理，然后進行不同溫度的退火處理；③ 對鍛件進行5次800 ℃/1 h/AC重復退火處理。

圖1 大規格TA15鈦合金鍛件室溫拉伸性能隨退火溫度的變化曲線Fig.1 Various curves of room temperature tensile properties vs. annealing temperature of large TA15 titanium alloy forging

圖4為大規格TA15鈦合金鍛件經多次800 ℃/1 h/AC重復退火后的室溫拉伸性能。從圖4可以看出，隨著退火次數的增加，強度僅略有下降，其中抗拉強度降幅不超過10 MPa，且小于1%，而塑性無明顯變化。這表明按現行工藝對大規格TA15鈦合金鍛件進行重復退火，不會引起拉伸性能的明顯變化。

圖2 大規格TA15鈦合金鍛件經不同溫度退火處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of large TA15 titanium alloy forging after annealing at different temperatures: (a, b) 800 ℃; (c, d) 840 ℃; (e, f) 880 ℃; (g, h) 950 ℃

未來研究將集中在以下兩方向：①對于周末、節假日等特殊時段，考慮采用新機制進行參數優化，以提高該類時段的預測準確率；②將基于量子進化算法優化的ARMAX模型應用結合到其他制造業應用領域，以提升工業制造智能化水平。

2.2 預先熱處理對拉伸性能的影響

圖5為大規格TA15鈦合金鍛件經多次800 ℃/1 h/AC重復退火后的顯微組織。從圖5可以看出，隨著退火次數的增加，鍛件組織形貌未發生明顯變化，均為典型的雙態組織。這表明大規格TA15鈦合金鍛件組織穩定，多次重復退火對其顯微組織影響不大。

圖3 預先熱處理對大規格TA15鈦合金鍛件室溫拉伸性能的影響Fig.3 Effect of pre-heat treatment on room temperature tensile properties of large TA15 titanium alloy forging

2.3 退火次數對組織與拉伸性能的影響

圖2為大規格TA15鈦合金鍛件經不同溫度退火處理后的顯微組織。從圖2可以看出，經800 ℃退火后，β轉變組織中的β相內部無析出物；經840 ℃退火后，β相中局部析出細小的次生α相，但由于次生α相較少，強化作用較弱；經880 ℃退火后，β相中析出大量細小的次生α相，強化效果顯著；退火溫度進一步升高至950 ℃時，β相中析出的次生α相粗化，初生α相含量減少，導致強化效果減弱，強度有所下降。

將熱處理后的試棒加工成標準拉伸試樣，采用Instron 4507萬能試驗機進行室溫拉伸性能測試。采用FEI Quanta 600掃描電子顯微鏡(SEM)進行顯微組織觀察。

圖4 重復退火(800 ℃/1 h/AC)對大規格TA15鈦合金鍛件室溫拉伸性能的影響Fig.4 Effect of repeat annealing (800 ℃/1 h/AC) on room temperature tensile properties of large TA15 titanium alloy forging

圖3為大規格TA15鈦合金鍛件經預先熱處理+普通退火后的室溫拉伸性能。圖中曲線1為普通退火，曲線2為預先熱處理+普通退火。與普通退火工藝相比，第2次退火溫度低于840 ℃時，再結晶軟化起主要作用，強度略有下降；當第2次退火溫度升至840～880 ℃，由于預先熱處理而使強化效果增強，強度略有增加。

1.4.1 研究方法 搜集76例自2009年10月至2016年6月于本院確診AL并經誘導治療達血液學CR后監測過MRD的成人患者資料，對AML及ALL患者在CR后3、6、12及12個月后MRD陽性及陰性組復發率及RFS進行統計學分析。

作為油井水泥漿中的一種外加劑，緩凝劑主要作用是增加油井水泥漿體系的水化誘導期，延長水泥稠化時間，從而確保油井堵水施工時水泥漿安全順利注入地層[1-4]。目前，廣泛應用的油井水泥緩凝劑主要有天然聚合物緩凝劑和人工合成緩凝劑兩類[5-7]：天然聚合物緩凝劑性能不穩定，耐溫性和抗鹽性較差；而人工合成緩凝劑性能穩定，耐溫耐鹽性能良好，逐漸取代了天然聚合物緩凝劑。國外Brothers等最早研究有機膦酸類聚合物緩凝劑，從20世紀八九十年代以來人工合成聚合物類緩凝劑已經成為國內的緩凝劑研究重點，但人工合成緩凝劑普遍存在成本高、用量大和合成工藝復雜的缺點[8-10]。

圖5 多次重復退火后大規格TA15鈦合金鍛件的顯微組織Fig.5 Microstructures of large TA15 titanium alloy forging after repeated annealing: (a) once; (b) twice;(c) three times; (d) four times; (e) five times

3 結 論

(1) 隨著退火溫度的升高，高Mo當量、大規格TA15鈦合金鍛件的強度呈現先降低后升高再降低的變化趨勢，并在880 ℃時抗拉強度達到最大，而塑性隨退火溫度變化不明顯。

(2) TA15鈦合金鍛件經800 ℃退火后，β轉變組織中的β相內部無析出物，回復再結晶起主導作用，強度降低；經840 ℃退火后，β相中局部析出細小的次生α相，但由于次生α相較少，強化作用較弱；經880 ℃退火后，β相中析出大量細小的次生α相，強化效果顯著；退火溫度進一步升高至950 ℃時，β相中析出的次生α相粗化，初生α相含量減少，導致強化效果減弱，強度有所下降。

校辦企業是學校根據自己的專業特點，適應經濟形勢，由學校出資、出技術、出管理人才所建立的企業，企業的運營和管理由學校說了算，在實行學徒制培養模式上有很大的便利。但是高校企業的缺點也很明顯，它只能針對自己強項來開辦企業，滿足不了高校多種專業的學徒制培養模式。

(3) TA15鈦合金鍛件組織穩定，多次800 ℃/1 h/AC重復退火對其顯微組織影響不大。