超大规格TA15钛合金棒材锻造
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由于 Φ400 m m 的 TA 15 钛合金棒材尺寸规格较 大，因此在锻造及冷却过程中，容易造成棒材变形
收稿日期：2013 −01 −25 通信作者：安耀辉﹙1976—﹚，男，工程师。
不均匀及温度不均匀，从而导致棒材边部及心部的 组织不均匀，最终使 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材的 性能不均匀［1］。为此，研究了不同锻造工艺锻制的大 规格 TA 15 钛合金棒材的组织及性能［2］，探索能够满 足使用要求的大尺寸 TA 15 钛合金棒材的生产工艺。
第5 期
安耀辉等：超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造工艺研究
23
1# 2# 3# 项目要求值
表 1 Φ940 m m TA 15 钛合金铸锭化学成分（w /% ） Table 1 C hem ical com positions of Φ940 m m TA 15 titanium ingots
R esearch on F orging P rocess of Super L arge-sized T A 15 T itanium A lloy B ars
A n Y aohui1 ，G ao B o2 ，M a Long1 ，Y ue X u1 ，Y u H aihui2
﹙1. B aoji Titanium Industry C o.，Ltd.，B aoji721014，C hina﹚ ﹙2. State N uclear B aoti Zirconium Industry C o.，Ltd.，B aoji721013，C hina﹚
1 000 ~ 1 080
≥40
成品锻造
变形温度 /ºС
变形量 /%
930 ~ 1 000
≥30
930 ~ 1 000
≥30
930 ~ 1 000
≥30
TA 15 钛 合 金 棒 材 的 锻 造 在 3150 t 水 压 机 和 2500 t快锻机上进行。在 3 种工艺锻制的成品棒材的 边部、1 /2R 处和心部切取横向试样。试样经800 ºС ×2 h /A C 热处理［3］后，在蔡司金相显微镜上进行显 微组织观察，在拉伸试验机上进行室温力学性能测 试。采用 C TS −23B 型超深波探伤仪﹙探头为 5PΦ14 平探头，耦合剂为机油﹚用接触法分别对 3 种锻造工
安耀辉1，高 博2，马 龙1，岳 旭1，于海慧2
﹙1. 宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014﹚ ﹙2. 国核宝钛锆业股份公司，陕西 宝鸡 721013﹚
摘 要：分别采用一次镦拔、两次镦拔和直接拔长 3 种开坯锻造工艺锻制了 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材，并对比分析 了棒材的低倍组织、显微组织、力学性能以及探伤杂波水平。结果表明，在铸锭开坯时通过两次镦拔变形增加 β相区 的变形量，在中间锻造及成品锻造时保证变形量分别大于 40% 和 30% ，再经 800 ºС ×2 h /A C 热处理后，可以得到边 部、1 /2R 处及心部组织均匀细小的 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材，且各项力学性能符合用户标准要求，探伤杂波水平可 达 Φ3.2 m m −9 dB 。 关键词：TA 15 钛合金；超大规格棒材；锻造工艺；镦拔
艺获得 的 Φ400 m m TA 15 钛 合 金 棒 材 进 行 超 声 波 检验。
2 结果与讨论
2.1 3 种工艺方案制备的棒材的低倍组织 图 1 为经 3 种工艺锻制的 Φ400 m m TA 15 钛合金
棒材的低倍组织照片。
图 1 经 3 种工艺锻制的 TA 15 钛合金棒材的低倍组织照片 Fig.1 M acrostructures of TA 15 titanium alloy bars produced by three different forging processes
1实验
1.1 实验材料 实验用的铸锭为 10 t真空自耗电弧炉三次熔炼
批量化生产的 Φ940 m m TA 15 钛合金铸锭。为了消 除因化学成分差异引起的组织差异，在铸锭头部和 尾部取样进行化学成分分析，在批量铸锭中选取铸 锭间成分差异较小且同一个铸锭头尾成分均匀的 3 个铸锭﹙铸锭的化学成分见表 1﹚，进行工艺试验。
第5 期
安耀辉等：超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造工艺研究
25
A≥9% ，Z ≥20% ﹚，说明在两相区变形量足够的情 况下，增加开坯锻造的变形 量 对 拉 伸 性 能 影 响 较 小［5］，但增加开坯锻造的变形量可以改善不同部位 拉伸性能的一致性［4］。
粒尺寸细小的棒材探伤水平更高。由于经方案 2 锻 造的棒材 的 组 织 均 匀 性 更 好 且 晶 粒 尺 寸 更 加 细 小， 因此杂波水平更低。
锻造工艺
方案 1﹙1# ﹚ 方案 2﹙2# ﹚ 方案 3﹙3# ﹚
铸锭开坯
变形温度 /ºС
变形方式
1 150 ~ 1 180
镦拔一次
1 150 ~ 1 180
镦拔二次
1 150 ~ 1 180
直接拔长
中间锻造
变形温度 /ºС
变形量 /%
1 000 ~ 1 080
≥Biblioteka Baidu0
1 000 ~ 1 080
≥40
图 2 3 种工艺锻制的 TA 15 钛合金棒材不同部位热处理后的金相照片 Fig.2 M icrostructures in different positions of TA 15 titanium alloy bars （annealed）produced by three different forging processes
从图 1 可以看出，经方案 3 锻制的 TA 15 钛合金 棒材的低倍组织晶粒较为清晰，说明直接拔长变形 量不足，晶粒未得到充分细化。经方案 1 与方案 2 锻制的棒材低倍组织差别不大，经方案 2 锻制的棒
材低倍组织更细小、均匀。晶粒组织在 β相区发生 的变化服从金属在变形时的一般变化规律，当变形 量增加时， β晶 粒 的 尺 寸 和 形 状 都 会 发 生 改 变， 还 会发生初次再结晶，从而使晶粒细化［2］。方案 2 在
造成不同部位组织不均匀的原因是镦粗产生了不均 匀的塑性变形，采用一次镦粗后拔长，不足以改善 不同部位的组织不均匀性。方案 3 只采用拔长工艺 进行开坯锻造，相对镦粗工艺变形较为均匀，因此 经方案 3 锻制的棒材显微组织较为均匀，但由于变 形量较小，晶粒尺寸较大。经方案 2 锻制的棒材不 同部位的显微组织较为均匀，且 α相为等轴状，尺 寸较经方案 1 和方案 3 锻制棒材的 α相小。这是因 为方案 2 采用两次镦拔的工艺进行开坯锻造，变形 量较 一 次 镦 拔 大，且 变 形 更 加 均 匀，因 此 得 到 的 Φ400 m m TA 15 钛 合 金 棒 材 的 显 微 组 织 更 加 均 匀 细小［4］。
0.11
0.11
≤0.15
1.2 实验方案 在 Φ300 m m TA 15 钛合金棒材锻造工艺的基础
上，确定了制备 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材的 3 种
工艺方案，具体方案如表 2 所示。3 种锻造方案除 铸锭开坯的变形方式不同 外，其 他 的 工 艺 参 数 均 相同。
表 2 超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造方案 Table 2 Forging processes of super large-sized TA 15 titanium alloy bars
24
30 卷
β相区 的 变 形 量 最 大， 晶 粒 得 到 了 充 分 细 化， 成 品 为细小的模糊晶。 2.2 3 种工艺方案制备的棒材的显微组织
图 2 为经 3 种不同工艺锻制的 Φ400 m m TA 15 钛 合金棒材边部、1 /2R 处及心部横向试样经热处理后 的显微组织金相照片。
从图中可以看出，经 3 种方案锻制的 TA 15 钛合 金棒材晶粒尺寸有差别，经方案 3 锻制的棒材晶粒 尺寸相对较大，这与低倍组织是对应的。从锻制变 形后不同部位组织的均匀性来看，经方案 1 锻制的 棒材不同部位的组织有差异，边部和心部的 α相主 要以等轴状为主，而 1 /2R 处存在较多拉长的 α相。
2.3 3 种工艺方案制备的棒材的力学性能 图 3 为 3 种工艺锻制的 TA 15 钛合金棒材横截面
边部、1 /2R 处及心部试样热处理后的室温拉伸性能 曲线。从图 3 可以看出，除方案 1 的抗拉强度外，
不同方案的棒材强度指标都有从边部到心部逐渐降 低的趋势，而塑性指标变化不明显。3 种工艺方案 锻制的 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材力学性能均能达到 项目要求值﹙R m 为 930 ~ 1 130 M Pa，R p0.2 ≥855 M Pa，
Al
V
Mo
Zr
头部
尾部
头部
尾部
头部
尾部
头部
尾部
6.5
6.6
2.0
2.1
1.7
1.6
2.0
2.2
6.5
6.6
2.0
2.1
1.7
1.7
2.1
2.2
6.6
6.6
2.0
2.1
1.7
1.6
2.1
2.2
5.5 ~ 7.0
0.8 ~ 2.5
0.5 ~ 2.0
1.5 ~ 2.5
O
头部
尾部
0.11
0.10
0.10
0.12
0引言
TA 15 钛合金是 一 种 综 合 性 能 优 良 的 中 强 钛 合 金，室温强度较 Ti-6A l-4V ﹙TC4﹚合金高 30 ~ 50 M Pa ， 且具有 较 好 的 加 工 性 能， 可 用 于 生 产 薄 板、 厚 板、 型材、棒材、锻件、模锻件和线材等产品。该合金 焊接性能良好，可与其他钛合金互焊，用于制作飞 机大型焊 接 结 构———隔 框 等 大 型 构 件， 焊 缝 的 强 度 系数可达 0.90 ~ 0.95。
表 3 经 3 种工艺锻制的 Φ400 m m TA15 钛合金棒材的杂波水平 Table 3 Flaw detection level of Φ400 m m TA 15 titanium alloy
bars produced by three different forging processes
第 网网30络络卷出出版版第时地5间址期：：2h0tt1p3:/-/0w9w-2w9.c2n2k:1i.3net/kcms/detail/61.1292.TG.20130929.2213.005.html 2013 年 10 月
V ol.30 N o.5 O ctober 2013
超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造工艺研究
A bstract：Three different forging processes w ere investigated w hich include upset-draw process，double upset-draw process and draw process to fabricate Φ400 m m TA 17 titanium alloy bars，then com pared the m acrostructures，m icrostructures，m echanicalproperties and flaw detection levels ofthe bars. The results show that，using double upset-draw process in ingotcogging can increase the deform ation am ountin βregion. A fter deform ation of40% and 30% in the interm ediate and product forging with annealing at800 ºС ×2 h /A C ，the m icrostructures in different positions are fine and hom ogeneous，the m echanical properties of bars can m eet the standards and flaw detection level is Φ3.2 m m −9 dB . K ey w ords：TA 15 titanium alloy；super large-sized bars；forging process；upset-draw process
收稿日期：2013 −01 −25 通信作者：安耀辉﹙1976—﹚，男，工程师。
不均匀及温度不均匀，从而导致棒材边部及心部的 组织不均匀，最终使 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材的 性能不均匀［1］。为此，研究了不同锻造工艺锻制的大 规格 TA 15 钛合金棒材的组织及性能［2］，探索能够满 足使用要求的大尺寸 TA 15 钛合金棒材的生产工艺。
第5 期
安耀辉等：超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造工艺研究
23
1# 2# 3# 项目要求值
表 1 Φ940 m m TA 15 钛合金铸锭化学成分（w /% ） Table 1 C hem ical com positions of Φ940 m m TA 15 titanium ingots
R esearch on F orging P rocess of Super L arge-sized T A 15 T itanium A lloy B ars
A n Y aohui1 ，G ao B o2 ，M a Long1 ，Y ue X u1 ，Y u H aihui2
﹙1. B aoji Titanium Industry C o.，Ltd.，B aoji721014，C hina﹚ ﹙2. State N uclear B aoti Zirconium Industry C o.，Ltd.，B aoji721013，C hina﹚
1 000 ~ 1 080
≥40
成品锻造
变形温度 /ºС
变形量 /%
930 ~ 1 000
≥30
930 ~ 1 000
≥30
930 ~ 1 000
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TA 15 钛 合 金 棒 材 的 锻 造 在 3150 t 水 压 机 和 2500 t快锻机上进行。在 3 种工艺锻制的成品棒材的 边部、1 /2R 处和心部切取横向试样。试样经800 ºС ×2 h /A C 热处理［3］后，在蔡司金相显微镜上进行显 微组织观察，在拉伸试验机上进行室温力学性能测 试。采用 C TS −23B 型超深波探伤仪﹙探头为 5PΦ14 平探头，耦合剂为机油﹚用接触法分别对 3 种锻造工
安耀辉1，高 博2，马 龙1，岳 旭1，于海慧2
﹙1. 宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014﹚ ﹙2. 国核宝钛锆业股份公司，陕西 宝鸡 721013﹚
摘 要：分别采用一次镦拔、两次镦拔和直接拔长 3 种开坯锻造工艺锻制了 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材，并对比分析 了棒材的低倍组织、显微组织、力学性能以及探伤杂波水平。结果表明，在铸锭开坯时通过两次镦拔变形增加 β相区 的变形量，在中间锻造及成品锻造时保证变形量分别大于 40% 和 30% ，再经 800 ºС ×2 h /A C 热处理后，可以得到边 部、1 /2R 处及心部组织均匀细小的 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材，且各项力学性能符合用户标准要求，探伤杂波水平可 达 Φ3.2 m m −9 dB 。 关键词：TA 15 钛合金；超大规格棒材；锻造工艺；镦拔
艺获得 的 Φ400 m m TA 15 钛 合 金 棒 材 进 行 超 声 波 检验。
2 结果与讨论
2.1 3 种工艺方案制备的棒材的低倍组织 图 1 为经 3 种工艺锻制的 Φ400 m m TA 15 钛合金
棒材的低倍组织照片。
图 1 经 3 种工艺锻制的 TA 15 钛合金棒材的低倍组织照片 Fig.1 M acrostructures of TA 15 titanium alloy bars produced by three different forging processes
1实验
1.1 实验材料 实验用的铸锭为 10 t真空自耗电弧炉三次熔炼
批量化生产的 Φ940 m m TA 15 钛合金铸锭。为了消 除因化学成分差异引起的组织差异，在铸锭头部和 尾部取样进行化学成分分析，在批量铸锭中选取铸 锭间成分差异较小且同一个铸锭头尾成分均匀的 3 个铸锭﹙铸锭的化学成分见表 1﹚，进行工艺试验。
第5 期
安耀辉等：超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造工艺研究
25
A≥9% ，Z ≥20% ﹚，说明在两相区变形量足够的情 况下，增加开坯锻造的变形 量 对 拉 伸 性 能 影 响 较 小［5］，但增加开坯锻造的变形量可以改善不同部位 拉伸性能的一致性［4］。
粒尺寸细小的棒材探伤水平更高。由于经方案 2 锻 造的棒材 的 组 织 均 匀 性 更 好 且 晶 粒 尺 寸 更 加 细 小， 因此杂波水平更低。
锻造工艺
方案 1﹙1# ﹚ 方案 2﹙2# ﹚ 方案 3﹙3# ﹚
铸锭开坯
变形温度 /ºС
变形方式
1 150 ~ 1 180
镦拔一次
1 150 ~ 1 180
镦拔二次
1 150 ~ 1 180
直接拔长
中间锻造
变形温度 /ºС
变形量 /%
1 000 ~ 1 080
≥Biblioteka Baidu0
1 000 ~ 1 080
≥40
图 2 3 种工艺锻制的 TA 15 钛合金棒材不同部位热处理后的金相照片 Fig.2 M icrostructures in different positions of TA 15 titanium alloy bars （annealed）produced by three different forging processes
从图 1 可以看出，经方案 3 锻制的 TA 15 钛合金 棒材的低倍组织晶粒较为清晰，说明直接拔长变形 量不足，晶粒未得到充分细化。经方案 1 与方案 2 锻制的棒材低倍组织差别不大，经方案 2 锻制的棒
材低倍组织更细小、均匀。晶粒组织在 β相区发生 的变化服从金属在变形时的一般变化规律，当变形 量增加时， β晶 粒 的 尺 寸 和 形 状 都 会 发 生 改 变， 还 会发生初次再结晶，从而使晶粒细化［2］。方案 2 在
造成不同部位组织不均匀的原因是镦粗产生了不均 匀的塑性变形，采用一次镦粗后拔长，不足以改善 不同部位的组织不均匀性。方案 3 只采用拔长工艺 进行开坯锻造，相对镦粗工艺变形较为均匀，因此 经方案 3 锻制的棒材显微组织较为均匀，但由于变 形量较小，晶粒尺寸较大。经方案 2 锻制的棒材不 同部位的显微组织较为均匀，且 α相为等轴状，尺 寸较经方案 1 和方案 3 锻制棒材的 α相小。这是因 为方案 2 采用两次镦拔的工艺进行开坯锻造，变形 量较 一 次 镦 拔 大，且 变 形 更 加 均 匀，因 此 得 到 的 Φ400 m m TA 15 钛 合 金 棒 材 的 显 微 组 织 更 加 均 匀 细小［4］。
0.11
0.11
≤0.15
1.2 实验方案 在 Φ300 m m TA 15 钛合金棒材锻造工艺的基础
上，确定了制备 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材的 3 种
工艺方案，具体方案如表 2 所示。3 种锻造方案除 铸锭开坯的变形方式不同 外，其 他 的 工 艺 参 数 均 相同。
表 2 超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造方案 Table 2 Forging processes of super large-sized TA 15 titanium alloy bars
24
30 卷
β相区 的 变 形 量 最 大， 晶 粒 得 到 了 充 分 细 化， 成 品 为细小的模糊晶。 2.2 3 种工艺方案制备的棒材的显微组织
图 2 为经 3 种不同工艺锻制的 Φ400 m m TA 15 钛 合金棒材边部、1 /2R 处及心部横向试样经热处理后 的显微组织金相照片。
从图中可以看出，经 3 种方案锻制的 TA 15 钛合 金棒材晶粒尺寸有差别，经方案 3 锻制的棒材晶粒 尺寸相对较大，这与低倍组织是对应的。从锻制变 形后不同部位组织的均匀性来看，经方案 1 锻制的 棒材不同部位的组织有差异，边部和心部的 α相主 要以等轴状为主，而 1 /2R 处存在较多拉长的 α相。
2.3 3 种工艺方案制备的棒材的力学性能 图 3 为 3 种工艺锻制的 TA 15 钛合金棒材横截面
边部、1 /2R 处及心部试样热处理后的室温拉伸性能 曲线。从图 3 可以看出，除方案 1 的抗拉强度外，
不同方案的棒材强度指标都有从边部到心部逐渐降 低的趋势，而塑性指标变化不明显。3 种工艺方案 锻制的 Φ400 m m TA 15 钛合金棒材力学性能均能达到 项目要求值﹙R m 为 930 ~ 1 130 M Pa，R p0.2 ≥855 M Pa，
Al
V
Mo
Zr
头部
尾部
头部
尾部
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头部
尾部
6.5
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2.2
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2.0
2.1
1.7
1.6
2.1
2.2
5.5 ~ 7.0
0.8 ~ 2.5
0.5 ~ 2.0
1.5 ~ 2.5
O
头部
尾部
0.11
0.10
0.10
0.12
0引言
TA 15 钛合金是 一 种 综 合 性 能 优 良 的 中 强 钛 合 金，室温强度较 Ti-6A l-4V ﹙TC4﹚合金高 30 ~ 50 M Pa ， 且具有 较 好 的 加 工 性 能， 可 用 于 生 产 薄 板、 厚 板、 型材、棒材、锻件、模锻件和线材等产品。该合金 焊接性能良好，可与其他钛合金互焊，用于制作飞 机大型焊 接 结 构———隔 框 等 大 型 构 件， 焊 缝 的 强 度 系数可达 0.90 ~ 0.95。
表 3 经 3 种工艺锻制的 Φ400 m m TA15 钛合金棒材的杂波水平 Table 3 Flaw detection level of Φ400 m m TA 15 titanium alloy
bars produced by three different forging processes
第 网网30络络卷出出版版第时地5间址期：：2h0tt1p3:/-/0w9w-2w9.c2n2k:1i.3net/kcms/detail/61.1292.TG.20130929.2213.005.html 2013 年 10 月
V ol.30 N o.5 O ctober 2013
超大规格 TA 15 钛合金棒材锻造工艺研究
A bstract：Three different forging processes w ere investigated w hich include upset-draw process，double upset-draw process and draw process to fabricate Φ400 m m TA 17 titanium alloy bars，then com pared the m acrostructures，m icrostructures，m echanicalproperties and flaw detection levels ofthe bars. The results show that，using double upset-draw process in ingotcogging can increase the deform ation am ountin βregion. A fter deform ation of40% and 30% in the interm ediate and product forging with annealing at800 ºС ×2 h /A C ，the m icrostructures in different positions are fine and hom ogeneous，the m echanical properties of bars can m eet the standards and flaw detection level is Φ3.2 m m −9 dB . K ey w ords：TA 15 titanium alloy；super large-sized bars；forging process；upset-draw process