TA24鈦合金大規格餅材工藝研究

TA24鈦合金(Ti-3Al-2Mo-2Zr)是近α型鈦合金的代表，又被稱為Ti75合金。其中，3%的穩定元素Al為α相起固溶強化的作用，為其堅固性打下堅實基礎；而2%的穩定元素Mo則強化了β相，并改善了材料塑性，使其在加工過程中展現出優越的靈活性和可塑性。此外，Zr這一中性合金元素的加入，為合金的焊接性能提供了保障。

TA24鈦合金的主要半成品形式多樣，包括棒材、管材、板材、餅件、絲材和型材等，滿足了不同領域的需求。本文核心關注的是TA24鈦合金高性能大規格餅材工藝研究，通過剖析不同熱處理條件對其組織結構及性能的影響，為工業制造中設定合適的工藝參數、加工方法和工藝流程奠定了初步基礎。

一、餅材的鍛造工藝

1、餅材制備

本試驗材料為TA24鈦合金，鑄錠經3次真空自耗熔煉，鑄錠重量為5940kg，加熱溫度為1050～1100℃，在寶鈦集團萬噸鍛壓機上進行鍛造開坯，冷卻后經修磨、機加等，得到表面質量合格的、規格為φ1861mm×197mm的大規格餅材。鑄錠的化學成分見表1。

2、鍛餅工藝

鑄錠經過總鍛造比大于30的自由鍛造后，繼續用箱式電阻爐加熱，在萬噸自由鍛造油壓機上鍛造。在α+β兩相區鍛造過程中經歷了多輪兩鐓兩拔變形，使材料沿徑向擴展至接近八方形截面；隨后再次鐓粗，沿徑向再次拔長、滾圓，確保鐓拔后的餅材軸向盡量與原始坯料的軸向一致或者近似；繼續加熱后鐓粗，然后勻正滾圓，拍平成φ861mm×197mm的餅材。鍛造完成后按照規范，采用線切割獲取樣品，經過精密機械加工后，對室溫下的拉伸性能、微觀組織結構以及斷裂韌性進行檢測和評估。

二、試驗結果與討論

1、顯微組織

本次試驗是在700～900℃溫度區間退火制度下進行，如圖1所示，隨著熱處理溫度的上升，α相呈現長大勢態，但長大的趨向不明顯，初生α相的含量減少，部分α相逐步溶解到β基體中；次生α相溶解到β基體中形成明顯的片層組織，如圖1(d)所示。當熱處理溫度達到900℃時，由于溫度接近相變溫度，β基體進行合金元素的再分配，片層組織也隨之消失。

2、力學性能

在700℃、750℃、800℃、850℃以及900℃溫度下，進行室溫下的拉伸測試，結果見表2。

從試驗數據圖2所示的趨勢中觀察到，隨著熱處理溫度的提升，抗拉強度和屈服強度呈現出逐漸下降的趨勢，尤其是在750℃和800℃階段，兩者強度表現出趨于相近的水平。在700～750℃區間，隨著片層α相厚度的增加，導致內部位錯滑移，而α/β相界面對強化效應的減弱也起著負面影響。同時，晶粒尺寸的增長使得位錯滑動的空間變得更長，從而削弱了材料的強度。然而，當溫度升高至800℃，雖然β轉變組織中少量粗大的片層α相具有一定的塑性變形潛力，但大量細小的α相內部的滑移卻變得難以進行，發生塑性變形的難度增大，并且增強了界面強化的效果，因此強度略有下降。當溫度進一步升高至850～900℃時，細小α相完全溶解，等軸α相的比例逐漸減少，伴隨著晶粒整體尺寸的逐漸增大，不僅增加了位錯的有效滑移距離，也顯著地降低了材料的強度。

如圖3所示，斷后伸長率和斷面收縮率隨溫度的升高呈增長趨勢，但總體來看，斷后伸長率和斷面收縮率變化較小。在750～800℃的條件下，盡管等軸α相的體積占比保持穩定，但其延伸率受片層α相形態的影響顯著。當溫度提升至850℃，觀察到片層α相的厚度有所增大，這導致材料的塑性增強。到了900℃，盡管晶粒尺寸略有增大，但等軸α相的體積分數繼續減小，這反而使得延伸率相應的略有下降。

不同熱處理溫度后TA24鈦合金的沖擊性能如圖4所示。隨著溫度的上升，沖擊韌性呈現出先增后降的趨勢，在沖擊測試樣本的斷裂過程中，能量關鍵被三個部分吸收，即裂紋形成、亞臨界擴展和斷裂能。對于兩相鈦合金，等軸α相體積分數以及β轉變組織的相關參數都會對其沖擊韌性產生影響。較高的等軸α相含量可使裂紋容易穿過，導致裂紋擴展路徑較為平直，不利于裂紋擴展功的提高。同時，晶粒尺寸和層狀α相的厚度也會影響裂紋擴展的曲折程度。片層α相厚度的增大和長寬比的降低可以促進增強β轉變組織的協調變形能力，減少應力集中，從而提高開裂臨界值。當片層α相厚度增加到一定尺寸的時候，會阻礙裂紋的直接擴展，迫使裂紋擴展方向改變，使得擴展路徑變得更加曲折，進而提高材料的擴展性能。在700～750℃的熱處理空冷過程中，TA24合金的β轉變組織體積分數相對較少，且片層α相極為稀少，因此其阻礙裂紋擴展的能力有限，裂紋擴展路徑的曲折性不高，對沖擊韌性的提升貢獻不大。當溫度在800℃時，β組織轉變，沖擊韌性升高。850℃因β轉變組織體積分數增多，抗斷裂韌性最高。當溫度達到900℃，基體片層α相消失，α相晶粒長大，相界面變多，裂紋擴展更易發生，沖擊性能下降。

3、鍛造工藝的探討

TA24鈦合金餅材的的性能優劣主要由其內部組織結構決定，而這個組織結構中各個相含量、尺寸、形態及分布又高度依賴鍛造過程中的關鍵參數，特別是在鍛造過程中的溫度調控與變形程度的把握。當鍛造溫度下降并伴隨更大的形變程度，能夠細化微觀結構以增強性能，通常要求形變量超過50%。不過，當鍛造條件趨向于低溫和高強度變形，這也可能導致材料抵抗變形的能力劇增。對于具有多元素且復雜結構的TA24鈦合金，其適宜的加工溫度范圍有限，這無疑對鍛造成品的質量控制提出了嚴峻考驗，盡管β鍛造能提供優良的工藝性，降低變形難度、減少變形阻力，但對TA24鈦合金而言，β鍛造和熱處理后會容易導致硅化物的不均勻分布或生成粗大的魏氏體組織，從而削弱了合金的塑性和高溫性能，因此在大多數情況下通常并不推薦使用。

基于這些因素，對于φ1861mm×197mm的TA24餅材，鍛造過程應選擇在α+β兩相區域進行。首先，第一階段在兩相區的較高溫度段進行，目的是在保持機械性能不受影響的情況下，通過適度升溫來優化合金的工藝特性，確保可以進行反復多次的鐓粗和拔長，進而有效優化其內在組織結構；第二階段鍛造選擇在較低溫度下進行，主要目標是促使大量均勻的等軸α相生成，以全面提升整體性能。試驗數據證實，這種方法在實踐中是切實可行的。

結論

（1）φ1861mm×197mm的TA24大規格餅材采用多火次鐓拔的變形工藝，先在兩相區的上部進行兩鐓兩拔，再采用較低溫度鐓粗滾圓拍平成餅是可行的。

（2）當對TA24鈦合金進行熱處理時，較低溫度下α相的體積分數基本保持穩定；然而，隨著溫度的提升，α相開始溶解，其體積分數隨溫度升高而逐漸減小，與此相反，β轉變組織體積分數在α相溶解的過程中則會呈現出增加的趨勢。

（3）依據熱處理制度發現，隨著溫度的提高，抗拉強度、屈服強度呈現逐漸降低趨勢，沖擊韌性則隨著溫度的升高呈升高趨勢。