張　亮，王　紅，趙軼群，趙瑞斌，王紅紅

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京　100095)

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化學(xué)成分對(duì)鑄造Ti6242合金力學(xué)性能影響的研究

張亮，王紅，趙軼群，趙瑞斌，王紅紅

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100095)

研究了可在500 ℃左右使用的近α型Ti6242合金化學(xué)成分取標(biāo)準(zhǔn)要求的上、中、下限對(duì)其鑄件室、高溫力學(xué)性能的影響，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整Al、Zr、O含量對(duì)其鑄件室、高溫力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：①上、中、下限成分的鑄件室溫抗拉強(qiáng)度均超過930 MPa，延伸率大于7%，500 ℃的抗拉強(qiáng)度達(dá)到638 MPa，滿足課題指標(biāo)要求，綜合考慮生產(chǎn)和成本因素，取中限的更適合工程化推廣應(yīng)用；②進(jìn)一步調(diào)整Al、Zr、O元素含量，可使鑄件的室溫抗拉強(qiáng)度超過980 MPa，延伸率還可達(dá)到8%以上，500 ℃的抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa，比課題技術(shù)指標(biāo)要求有較大的富裕量，明顯高于目前常用的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2V-1Zr-1Mo合金鑄件力學(xué)性能，非常適合在飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用。

Ti6242合金；精密鑄造；化學(xué)成分；力學(xué)性能

0　引　言

Ti6242合金名義化學(xué)成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，是20世紀(jì)60年代末美國(guó)研制的可在500 ℃左右使用的一種近α型高溫鈦合金[1]。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，近年來用量不斷增加[2]，主要用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片和機(jī)匣等[3]。

鈦合金鑄件屬于近凈成形產(chǎn)品，與鍛件等相比具有金屬材料利用率高、成形費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，尤其是成形尺寸大、形狀復(fù)雜的薄壁件更具優(yōu)勢(shì)。常用的Ti-6Al-4V合金鑄件已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，而Ti6242合金作為綜合性能良好的高溫合金，近年來其鑄件已被空客、普惠、波音等公司用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上。

在國(guó)內(nèi)，用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上的Ti6242合金鍛件已經(jīng)做了大量系統(tǒng)的研究工作，但關(guān)于Ti6242合金鑄件的研究卻鮮有報(bào)道。為滿足我國(guó)大型民用客機(jī)對(duì)具有較高強(qiáng)度、較高耐熱溫度、形狀復(fù)雜的薄壁精密鑄件的需求，北京百慕航材高科技股份有限公司開展了Ti6242合金鑄造成形的系統(tǒng)研究工作，本研究為其研究工作的一部分，重點(diǎn)探討化學(xué)成分對(duì)Ti6242合金鑄件力學(xué)性能的影響，旨在為Ti6242合金鑄件的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　實(shí)　驗(yàn)

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，制定了Ti6242合金鑄件上、中、下限的成分范圍(見表1)。

表1　制定的Ti6242合金上、中、下限成分范圍(w/%)

原料為0級(jí)小粒度海綿鈦、99%純錫條(Sn)、火器級(jí)海綿鋯(Zr)和鋁鉬中間合金(AlMo70)和鋁硅(AlSi12A)中間合金。按表1給出的上、中、下限的成分范圍配料、壓電極，在真空自耗電弧爐進(jìn)行二次熔煉，得到三種成分的合金鑄錠(每個(gè)鑄錠的直徑為φ220 mm、質(zhì)量為108 kg)。

將三種不同成分范圍的合金鑄錠作為電極，在100 kg真空凝殼爐上進(jìn)行重熔，澆注到高速離心轉(zhuǎn)動(dòng)的氧化鋯型殼中，爐冷出爐。取樣分析化學(xué)成分，經(jīng)熱等靜壓處理(HIP，高純氬氣120 MPa，910 ℃,2 h)后，在Instron-4507型試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試室溫拉伸性能。根據(jù)室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果優(yōu)選出一種成分的試棒，測(cè)試高溫力學(xué)性能。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

Ti6242合金中Al是強(qiáng)α穩(wěn)定元素，Sn和Zr固溶強(qiáng)化Ti-Al基體，Mo作為β穩(wěn)定元素可提高合金的拉伸強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，Si對(duì)該合金力學(xué)性能也有著重要的影響，Si含量在0.08%～0.10%時(shí)可改善合金的蠕變抗力，而不明顯影響合金的熱穩(wěn)定性。澆注的三種成分試棒化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見表2。

表2　Ti6242合金鑄造試棒的化學(xué)成分(w/%)

由表可見，澆注的上、中、下限成分試棒主合金元素Al、Sn、Mo、Zr及Si均達(dá)到成分設(shè)計(jì)水平，說明本研究所采用的熔煉和澆注手段以及所確定的工藝參數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地調(diào)整和控制合金成分。三種成分鑄造試棒的室溫拉伸性能見表3。表3數(shù)據(jù)顯示，上、中、下限成分的鑄造試棒抗拉強(qiáng)度均達(dá)到或超過930 MPa，延伸率平均值在9.0%以上，都滿足課題要求的技術(shù)指標(biāo)，具有良好的拉伸強(qiáng)度和塑性。

分析表3數(shù)據(jù)可知，隨著合金元素成分Al、Sn、Zr、Mo含量的提高，合金的拉伸強(qiáng)度逐步提高。合金成分取上限時(shí)，強(qiáng)度比取中、下限明顯高，達(dá)到1 010 MPa，且延伸率平均值還能達(dá)到9.7%。當(dāng)處于成分下限時(shí)，極限拉伸強(qiáng)度基本與課題技術(shù)指標(biāo)持平，強(qiáng)度明顯偏低。合金成分取中限時(shí)平均抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到955、890 MPa，平均延伸率為10.3%，最低值不低于7%，具有較高的室溫拉伸強(qiáng)度和較好的塑性。綜合考慮工程化生產(chǎn)條件下合金成分控制以及成本問題，最終確定Ti6242合金鑄件的成分應(yīng)取中限，并測(cè)試了100～600 ℃高溫力學(xué)性能(見表4)。

表3　Ti6242合金鑄造試棒的室溫拉伸性能

表4　成分范圍取中限的Ti6242合金鑄造試棒的高溫拉伸性能

由表4可以看出，取中限的Ti6242合金500 ℃的極限拉伸強(qiáng)度為638 MPa，屈服強(qiáng)度為499 MPa，延伸率為15.1%，滿足課題指標(biāo)要求，但極限強(qiáng)度與課題指標(biāo)相比富裕量不大。

3　優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1Al、Zr成分變化對(duì)室溫力學(xué)性能的影響

由于成分取中限的合金極限拉伸強(qiáng)度最低值僅比課題指標(biāo)多出20 MPa左右，為進(jìn)一步提升合金強(qiáng)度，在確定的中限合金成分的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高Al、Zr含量。表5、6為調(diào)整Al、Zr含量之后，熔煉澆注的Ti6242合金試棒化學(xué)成分及室溫力學(xué)性能。與表2、表3中限成分合金相比，Al、Zr含量分別提高了0.2%和0.15%，室溫抗拉強(qiáng)度均值為984.5 MPa，提高近30 MPa。屈服強(qiáng)度均值為896 MPa，稍有增加。延伸率均值為8.6%，斷面收縮率均值為15.4%，塑性指標(biāo)有所降低?？梢姵煞终{(diào)整后，鑄造試棒的室溫極限拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步提高，強(qiáng)度富裕量增加，延伸率雖略有下降，但仍滿足課題技術(shù)指標(biāo)要求。

表5　Al、Zr含量調(diào)整后的Ti6242合金鑄造試棒的化學(xué)成分(w/%)

表6　Al、Zr含量調(diào)整后Ti6242合金鑄造試棒的室溫力學(xué)性能(5個(gè)試樣的平均值)

3.2氧含量變化對(duì)高溫力學(xué)性能的影響

氧是鈦合金中重要的間隙雜質(zhì)元素，在常用的ZTC4、ZTA15鈦合金中均采用調(diào)整氧含量來增加鈦合金材料強(qiáng)度。一般氧含量每增加0.02%大約可以提高將近15 MPa拉伸強(qiáng)度。因此進(jìn)行了提高Ti6242鑄造試棒氧含量對(duì)合金高溫拉伸性能影響的試驗(yàn)。表7、表8給出了氧含量調(diào)整后熔煉、澆注的Ti6242合金試棒的化學(xué)成分及高溫力學(xué)性能。由表7可知，鑄造試棒平均氧含量達(dá)到了0.145%，比表2中限成分的氧含量提高了0.045%，其他主元素含量成分水平基本一致。表8顯示，氧含量提高，Ti6242合金鑄造試棒各溫度點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度都得到明顯提高。500 ℃下的極限拉伸強(qiáng)度增加了近40 MPa，富裕量提高。說明氧含量增加可以有效地提高合金高溫極限拉伸強(qiáng)度，更好地滿足高溫強(qiáng)度指標(biāo)要求。

表7　氧含量提高后鑄造試棒的化學(xué)成分(w/%)

表8　氧含量提高后鑄造試棒高溫拉伸性能

4　結(jié)　論

(1)取上、中、下限成分的Ti6242合金鑄造試棒室溫抗拉強(qiáng)度均超過930 MPa，延伸率大于7%，500 ℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到638 MPa，均滿足課題技術(shù)指標(biāo)要求。綜合考慮生產(chǎn)和成本的因素，取中限的Ti6242合金鑄件更適合工程化應(yīng)用推廣。

(2)進(jìn)一步調(diào)整取中限的Ti6242合金Al、Zr、O元素的含量，可使合金的室溫極限拉伸強(qiáng)度達(dá)到980 MPa以上，延伸率還可達(dá)到8%以上；500 ℃的抗拉強(qiáng)度達(dá)到675 MPa，相比課題技術(shù)指標(biāo)要求的620 MPa有較大的富裕量，明顯高于目前常用的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2V-1Zr-1Mo合金鑄件的力學(xué)性能，非常適合在飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用。

[1] 李軍帥，趙飛，李妮，等.Ti6242合金的熱變形行為及加工圖[J].金屬熱處理，2015,40(4)：23-24.

[2] 王凡，白保良，朱梅生.550 ℃用高溫鈦合金的研發(fā)[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2014，31(1):7-10.

[3] 肖樹龍，陳玉勇，朱洪艷，等. 大型復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件熔模精密鑄造研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 稀有金屬材料與工程，2006，35(5):678-681.

Effects of Chemical Composition on Mechanical Properties of Ti6242 Cast Titanium Alloy

Zhang Liang，Wang Hong，Zhao Yiqun, Zhao Ruibin，Wang Honghong

(BAIMTEC Material Co., Ltd.,Beijing 100095,China)

The effects of chemical composition range on mechanical properties ofα-type titanium alloy Ti6242 at ambient and high temperature were studied. The effects of Al, Zr, O contents adjustion on mechanical properties at ambient and high temperature were also investigated.The results show that, the room temperature tensile strength of three kinds of Ti6242 titanium alloy castings are all above 900 MPa, and the ductility are above 7%.Tensile strength at 500 ℃ can reach 638 MPa, which could meet the requirements of project. After adjusting Al, Zr, O contents, the tensile strength at room temperature can reach 980 MPa and the ductility can reach 8%. The tensile strength at 500 ℃ can reach 675 MPa, which is much higher than the requirements,better than currently used Ti-6Al-4V alloy and Ti-6Al-2V-1Zr-1Mo alloy, and is suitable for application in aircraft, automotive and other fields.

Ti6242 alloy;investment casting;chemical composition;mechanical properties

2015-11-26

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA030703)

張亮(1973—)，男，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)01-0012-04