供稿|岳旭,黃德超,宋蕊池,王淑艷,馬寶軍,李渭清/YUE Xu, HUANG De-chao, SONG Rui-chi, WANG Shu-yan, MA Bao-jun, LI Wei-qing

內(nèi)容導讀

通過TC17鈦合金在三種溫度下(β+50℃、β-30℃和β-50℃)進行60%左右的變形,研究了鍛造溫度對棒材進行高倍組織、低倍組織及力學性能的影響.研究結(jié)果表明,相變點以上變形得到魏氏組織,低倍組織均勻無亮斑產(chǎn)生;相變點以下進行60%左右的鍛造變形,可使α相較充分的等軸化.相變點以下30℃生產(chǎn),棒材低倍組織中會出現(xiàn)不同程度的亮斑.經(jīng)分析,亮斑為Cr元素微區(qū)分布不均勻造成的β斑,微區(qū)成分不均勻是引起TC17鈦合金β斑的本質(zhì)因素,鍛造溫度是形成β斑的主要誘發(fā)因素;相變點以下50℃生產(chǎn)能有效的避免低倍亮斑產(chǎn)生,進行適當?shù)臒崽幚砗?其組織及性能滿足標準要求.

TCl7 合金是一種綜合性能優(yōu)良的近 β 型合金,其名義成分為 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (質(zhì)量分數(shù)/%),該合金既可在α+β相區(qū)進行鍛造也可在 β 相區(qū)進行鍛造,它不但具有較高的強度、淬透性和斷裂韌性,而且耐熱穩(wěn)定性好,疲勞性能高,熱加工性能好[1].自 20 世紀 70 年代以來以其優(yōu)異性能逐漸進入航空制造領(lǐng)域作為壓氣機盤等鍛件在較高推力的發(fā)動機上使用.本文作者通過三種鍛造溫度,研究鍛造溫度對 TC17 鈦合金低倍組織亮斑的影響.

實驗材料及方法

本次試驗所使用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的φ140 mmTC17 鈦合金棒材.棒材顯微組織如圖 1,β 基體上均勻分布等軸 α 相,α 相含量約為 50%.化學成分符合表 1 要求.實驗用材料用金相法測得該合金的相變點 (α+β/β) 為 880~900℃.

圖 1 φ140 mmTC17 鈦合金棒材顯微組織

表 1 TC17化學成分表 (質(zhì)量分數(shù)) %

坯料分別在 950℃、850℃ 和 830℃ 3 個溫度下,在 2500 t 快鍛機上對坯料進行 60% 左右的變形,鍛制成 φ90 mm 的棒材.對 3 種鍛造溫度生產(chǎn)的棒材進行低倍組織檢驗,觀察低倍組織亮斑分布情況.在 OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡上進行顯微組織觀察,利用能譜 (EDS) 分析和顯微硬度測試等手段對亮斑進行分析.并對棒材經(jīng)840℃/2h.AC+800℃/4h.WC+630℃/8h. AC (AC 空冷,WC 水冷) 處理后,檢測棒材的力學性能和金相組織.

結(jié)果與分析

在三支棒材上切取低倍試樣,進行低倍組織觀察,結(jié)果如圖 2 所示.可以看出,950℃ 鍛造的棒材,由于始鍛溫度和終鍛溫度均高于相變點,其低倍組織呈清晰晶,組織均勻.850℃ 和 830℃ 鍛造的棒材低倍組織為模糊晶,組織都很均勻.不同的是 850℃ 生產(chǎn)的棒材低倍組織心部出現(xiàn)較為集中的亮斑.

圖 2 不同鍛造溫度生產(chǎn)的棒材低倍組織

三種溫度鍛造的棒材,其熱處理后的顯微組織如圖 3 所示.圖 4 為 850℃ 鍛造的 TC17 鈦合金棒材基體區(qū) (左) 和亮斑區(qū) (右) SEM 照片.可以看出,經(jīng)單相區(qū)鍛造得到的組織如圖 3 中 (a) 所示,在粗大的原始 β 晶粒內(nèi)細針狀 α 相交織成網(wǎng)籃狀,晶界很清晰[2].圖 3 中 (b) 和 (c) 分別為 850℃ 和 830℃ 鍛造的棒材經(jīng)三重熱處理后的顯微組織.可以看出,兩種鍛造溫度下生產(chǎn)的棒材高倍組織均為轉(zhuǎn)變 β 基體上均勻分布等軸初生 α 相,初生 α 相含量約為 40%.圖 2 (b) 中低倍組織中心處的亮斑,其顯微組織表現(xiàn)為一片片類似于魏氏組織的 β 斑.其產(chǎn)生原因是由于材料成分的不均勻性造成局部 β 相變溫度值下降,在 β 轉(zhuǎn)變溫度下進行鍛造時,由于棒材規(guī)格較小,其中心部位始終為自由鍛造的易變形區(qū),該區(qū)域的溫升較大,會導致區(qū)域產(chǎn)生溫升且溫度接近了 β 相變溫度值,引起該部位的 α 相組織提前產(chǎn)生相變轉(zhuǎn)換成 β 相,從而在材料內(nèi)部形成 β 斑.

圖 3 不同鍛造溫度生產(chǎn)的棒材顯微組織

圖 4 850℃ 鍛造 TC17 鈦合金棒材基體區(qū) (左) 和亮斑區(qū) (右) SEM 照片

對 850℃ 鍛造生產(chǎn)的棒材低倍亮斑處進行解剖分析,利用能譜分析測定亮斑區(qū)與基體區(qū)的合金元素的含量,檢測數(shù)據(jù)見表 2;測試亮斑區(qū)與基體區(qū)的顯微硬度,每個區(qū)域測試三點,檢測數(shù)據(jù)見表 3.

表 2 基體區(qū)與亮斑區(qū)合金元素含量比較 (質(zhì)量分數(shù)) %

表 3 基體區(qū)與亮斑區(qū)顯微硬度比較

由以上數(shù)據(jù)可以看出,除 Cr 元素外,亮斑區(qū)與基體區(qū)的其他合金元素含量相當,亮斑區(qū) Cr 元素含量比基體區(qū)高出 1% 左右.亮斑處的顯微硬度也高于基體區(qū).可得出和文獻[3]相同的結(jié)論,即:對于 TC17 鈦合金這種典型的近 β 型鈦合金,合金中 β 穩(wěn)定元素 Mo 和 Cr 含量較高,由于 Cr 是共析型 β 穩(wěn)定元素,容易在鑄錠的頭部區(qū)域形成偏析,造成某些區(qū)域 Cr 元素富集,比正常區(qū)域的 Cr 元素含量偏高,相變點偏低.因此,當鍛件在熱加工或隨后的熱處理過程中,加熱溫度接近相變點時,就可能造成 Cr 元素富集區(qū)域超過了相變點,出現(xiàn) β 斑點.以上數(shù)據(jù)也驗證了上文"低倍組織和高倍組織"中的分析.

3 種方案生產(chǎn)的棒材,在其心部位置切取試樣,經(jīng) 840℃/2h.AC+800℃/4h.WC+630℃/8h. AC 熱處理后測試各項力學性能,每組性能測試兩個數(shù)據(jù)取平均值,力學性能結(jié)果見表 4 和表 5.

表 4 棒材的室溫力學性能

表 5 棒材的高溫力學性能

顯微組織是材料性能的內(nèi)在表現(xiàn)形式,對性能起決定作用.從實驗測試結(jié)果來看,a 組數(shù)據(jù)為 β 鍛造并兩相區(qū)固溶時效處理測得的數(shù)據(jù),由于鍛造溫度較高,存在完整的 β 晶粒和晶界 α 相,使得棒材塑性較差,但是具有最好的蠕變性能;b、c 兩組數(shù)據(jù)為 α+β 兩相區(qū)鍛造并經(jīng)三重固溶時效處理測得的數(shù)據(jù),兩組數(shù)據(jù)差異不大,各項性能均能滿足使用要求.

已有的研究表明[3],β 斑點面積越大,對室溫拉伸性能和低周疲勞性能影響越大.美國對 Ti-10V-2Fe-3A1 合金中 β 斑點的最大面積規(guī)定是 0.762 mmX0.762 mm,俄羅斯對 Ti-5553 合金中 β 斑點的最大面積的規(guī)定是 0.75 mmX0.75 mm,小于該規(guī)定值,β 斑點對力學性能的影響不大.本文研究中所出現(xiàn)的 β 斑面積約為 0.35 mmX0.30 mm,亮斑的出現(xiàn)對棒材整體性能影響不大.

結(jié)束語

鍛造溫度決定著鈦合金組織及性能,在鈦合金的 β 相鍛造過程中產(chǎn)生 β 相變是必然要經(jīng)歷的相變過程,但若是在兩相鍛造中則 β 斑為不允許出現(xiàn)的組織缺陷,通過合理的鍛造溫度選擇,可以有效的避免 β 斑產(chǎn)生.

對于近 β 鍛造的 TC17 鈦合金產(chǎn)品,應盡量控制變形的均勻性及形變速率,避免局部溫升過大而形成 β 斑.本文的研究可得出以下結(jié)論:

1) 微區(qū)成分不均勻是引起 TC17 鈦合金 β 斑的本質(zhì)因素,鍛造溫度是形成 β 斑的主要誘發(fā)因素.相變點以下 30℃ 生產(chǎn),棒材低倍組織中會出現(xiàn)不同程度的 β 斑.這是由于微區(qū)成分分布不均勻,使該區(qū)域的轉(zhuǎn)變溫度低于基體區(qū),在鍛造中造成局部溫度提前超過相變點,而形成 β 斑.相變點以下50℃生產(chǎn)能有效的避免 β 斑產(chǎn)生.

2) 局部小面積的 β 斑對 TC17 鈦合金棒材的整體的力學性能未產(chǎn)生較大影響,可以滿足使用要求.

[1] 稀有金屬加工手冊編寫組. 稀有金屬材料加工手冊. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1984:447

[2] 張翥, 路綱, 惠松驍. 固溶處理后冷卻速度對TC17合金顯微組織和性能的影響. 金屬學報, 2002, 38(9), 101-104

[3] 趙興東, 陳仲強, 鄭渠英, 等. TC17鈦合金整體葉盤腐蝕表面"亮條"的成因及其對性能的影響.鈦工業(yè)進展, 2011, 8(4), 28-31