賴運金， 張平祥， 張賽飛， 王凱旋，雷 強， 辛社偉， 鄭永健， 譚啟明

(1.西北工業(yè)大學 凝固技術(shù)國家重點實驗室，西安 710072；2.西部超導材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，西安 710018；3.西北有色金屬研究院，西安 710016)

阻燃鈦合金Ti40的熱物理性能及力學性能

賴運金1,2， 張平祥1,3， 張賽飛1， 王凱旋2，雷 強2， 辛社偉3， 鄭永健1， 譚啟明2

(1.西北工業(yè)大學 凝固技術(shù)國家重點實驗室，西安 710072；2.西部超導材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，西安 710018；3.西北有色金屬研究院，西安 710016)

作為一種功能性鈦合金，Ti40阻燃鈦合金的熱物理性能數(shù)據(jù)首次被報道。采用真空自耗電弧熔煉技術(shù)制備的Ti40合金鑄錠成分均勻，利用熱擠壓開坯+包套保護鍛造方法制備的板坯組織均勻。性能測試結(jié)果表明：Ti40合金的室溫抗拉強度為950 MPa級，且在500 ℃下具有良好的熱暴露性能、高溫蠕變性能和高溫持久性能。在室溫到600 ℃范圍內(nèi)，合金的楊氏模量和剪切模量隨著溫度的升高呈線性下降，泊松比隨著溫度升高而緩慢增加；線性熱膨脹曲線隨著溫度升高呈拋物線增加，平均線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高呈線性增加。

阻燃鈦合金；Ti40合金；熱物理性能；板坯；力學性能

高性能鈦合金材料是發(fā)動機提高推重比的重要保障。隨著先進發(fā)動機用鈦量的增加，發(fā)生“鈦火”事故的概率越來越大[1-3]。阻燃鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用成為防“鈦火”事故的最直接的方法[4-6]。美國F119-PW-100發(fā)動機的高壓壓氣機靜子內(nèi)環(huán)、靜子葉片，噴口調(diào)節(jié)片和加力燃燒室筒體等部位均采用了Alloy C+阻燃鈦合金[7-9]。20世紀90年代以來，美國、俄羅斯、英國、中國等均在積極開展阻燃鈦合金的應(yīng)用研究工作[10-13]。

Ti40阻燃鈦合金的名義成分為Ti-25V-15Cr-0.2Si，國標牌號TB12[14-15]。與Alloy C系列合金(Tiadyne3515或Ti1270)[16]阻燃鈦合金相似，Ti40合金也具有良好的室溫、高溫拉伸、蠕變和斷裂韌度等綜合性能[17]。雖然Ti40合金在組織和常規(guī)性能以及開裂機理[18]等方面的文獻報道較多，但對該合金詳細的熱物理性能數(shù)據(jù)尚未見報道。本研究采用敲擊共振法測量楊氏模量、剪切模量和泊松比，采用頂桿法測量熱膨脹，首次對Ti40阻燃鈦合金的熱物理性能數(shù)據(jù)進行了分析研究，期望為我國阻燃鈦合金材料的工程化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗材料及方法

1.1Ti40合金大型鑄錠及板坯的制備

采用真空自耗電弧爐四次熔煉技術(shù)制備直徑φ640 mm的3噸級Ti40合金工業(yè)級鑄錠，對鑄錠頭部(top)和底部(bottom)橫截面切片進行“九點對稱中分(NPSM)”取樣(T/B1～T/B9：T/B2，T/B4，T/B7，T/B8為二分之一半徑處；T/B1，T/B5，T/B6，T/B9為距邊緣四分之一半徑處；T/B3為中心位置)，以及鑄錠高度方向(縱向)圓周面(circumferenty)均分五點(C1～C5)，分別測試23個位置的化學成分；詳細成分數(shù)據(jù)見圖1。從圖1中頭部和底部的V和Cr元素的散點分布可以看出：無論是V元素還是Cr元素，23個位置成分含量基本處于同一水平線上，說明鑄錠成分均勻性較好，尤其是Cr元素。文獻[19-22]中對Ti40合金的研究表明：V和Cr元素分布的均勻性對阻燃鈦合金的綜合性能存在重大的影響，尤其是阻燃性能和蠕變性能、熱穩(wěn)定性等熱強性能。

采用36000噸大型立式擠壓機對Ti40阻燃鈦合金φ640 mm大型鑄錠進行“熱擠壓開坯(HEFF)”，開坯后根據(jù)坯料目標尺寸進行分料，再采用“包套保護鍛造(WPF)”的方法在4500噸快鍛機上對各坯料分別進行多火次鐓拔循環(huán)鍛造，最后鍛造成55 mm×270 mm×Lmm的板坯，板坯宏觀照片和高低倍組織如圖2(a),(b)所示。板坯機械加工后尺寸為55 mm×270 mm×L mm，采用接觸法進行超聲波無損探傷，其結(jié)果為：φ1.2-(12-16) dB。對阻燃鈦合金板坯橫截面中部位置取樣進行力學性能(熱處理制度為850 ℃/1 h，水冷+550 ℃/5 h，空冷)和熱物理性能測試，采用LEICA MEF4A倒立金相顯微鏡觀察板坯的顯微組織形貌并拍攝金相照片。

1.2阻燃鈦合金熱物理性能

本研究中的Ti40阻燃鈦合金熱物理性能數(shù)據(jù)均為中國科學院金屬所物理性能測試設(shè)備測試實測數(shù)據(jù)，實驗樣品取自55 mm×270 mm×Lmm規(guī)格Ti40阻燃鈦合金板坯本體，取樣位置如圖2所示。

1.2.1 密度的測試原理

以阿基米德定律(Archimedes law)為基礎(chǔ)，采用流體靜力學方法，利用天平及其組件測得試樣的質(zhì)量和體積，再用室溫蒸餾水和空氣的密度修正補償，最終得到試樣的室溫密度。計算公式如下：

(1)

式中：ρ為試樣在溫度t時的密度,g·cm-3；A為試樣在空氣中的質(zhì)量,g；B為試樣在水中的測量值,g；ρ0為水在溫度t時的密度,g·cm-3；ρL為空氣的密度,g·cm-3。

1.2.2 彈性性能

彈性性能的測試采用動態(tài)測量方法-敲擊共振法，即通過觸發(fā)敲擊使樣品產(chǎn)生振動，探測系統(tǒng)采集的振動信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得其共振頻率，通過計算得到試樣的彈性性能。計算公式分別為：

(2)

(3)

(4)式中：E為楊氏模量,GPa；G為剪切模量,GPa；m為試樣質(zhì)量(g)；l為試樣長度,mm，b為寬度,mm；t為厚度,mm；ff為固有彎曲共振頻率,Hz；ft為固有扭曲共振頻率,Hz；T1，T2為修正系數(shù)；μ為泊松比。

1.2.3 熱膨脹的測試

熱膨脹采用頂桿法測量，通過測量與溫度變化(ΔT)相應(yīng)的試樣的長度變化(ΔL)，并將試樣載體及頂桿等對試樣長度變化可能造成影響的因素加以修正，可以得到試樣的線膨脹系數(shù)(α1)和平均線膨脹系數(shù)(α)。計算公式為：

α1=ΔL/L0

(5)

(6)式中：α1為線膨脹系數(shù),10-6·℃-1；α為平均線膨脹系數(shù)，10-6·℃-1；ΔT為溫度的變化量(測試溫度與基準溫度的溫度差)；ΔL為試樣與溫度變化相應(yīng)的已經(jīng)修正的長度變化量；L0為基準溫度下的試樣長度。

2 結(jié)果與分析

2.1Ti40合金厚板力學性能

表1為Ti40阻燃鈦合金55 mm×270 mm×L mm板坯室溫，540 ℃高溫力學性能，500 ℃/100 h熱暴露性能、500 ℃/100 h/250 MPa高溫蠕變性能和520 ℃/300 MPa高溫持久性能實測數(shù)據(jù)(每個位置重復測試2個樣本，取平均值)。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，Ti40合金55 mm×270 mm×Lmm板坯在室溫下具有950 MPa級的強度(文獻[23]-[25]的研究表明Ti40合金棒材強度可達到1000 MPa級)，并且各項性能的橫縱向差異非常小，具有很好的均勻性，根據(jù)組織對力學性能的影響規(guī)律可以推斷該板坯橫縱向組織均勻較好，其橫向和縱向顯微組織如圖3(a)和(b)所示。圖3中再結(jié)晶完全，晶界平直，幾乎全部為等軸晶粒，平均晶粒尺寸約為200 μm，縱向組織的長寬比略高。此外，由表1中斷裂韌度數(shù)據(jù)可以看出，開口方向為橫向的斷裂韌性KIC數(shù)值比縱向約高6.7%，這與板坯變形過程中金屬流動具有方向性有關(guān)，開口方向與金屬主流動方向(板坯縱向)垂直的斷裂韌度KIC數(shù)值較高。

表1 Ti40合金55 mm×270 mm×L mm板坯力學性能

Note: Heat treatment is 850 ℃/1 h，WQ+550 ℃/5 h，AC。

從表1中高溫性能數(shù)據(jù)還可以看出，Ti40合金在500 ℃溫度下具有良好的熱暴露性能和高溫蠕變性能，并且橫向和縱向非常接近，說明Ti40阻燃鈦合金的高溫蠕變性能和高溫拉伸性能主要受化學成分影響，組織和變形方式影響較小。為了摸索該合金的高溫蠕變性能，將蠕變測試溫度提高到520 ℃，結(jié)果表明Ti40合金在520 ℃/250 MPa下的高溫蠕變性能Af已經(jīng)無法穩(wěn)定滿足≤0.1%的要求(實驗測試過程中橫向和縱向試樣蠕變Af數(shù)據(jù)分別為1.6%和1.1%)。表1中還列出了Ti40阻燃鈦合金板坯在520 ℃/300 MPa條件下的高溫持久性能數(shù)據(jù)，因測試標準要求大于100 h后停止實驗，所以無法比較最終拉斷時間，但測試的橫縱向兩組數(shù)據(jù)均達到了101 h未斷，說明該合金具有較好的高溫持久性能。為進一步研究該合金的高溫持久性能，經(jīng)測試，Ti40合金在300 MPa條件下的540 ℃高溫持久時間無法穩(wěn)定達到100 h以上(實驗測試過程中橫向和縱向試樣斷裂時間分別為96.8 h和77.0 h)。

2.2Ti40合金熱物理性能

溫度對金屬材料的物理性能有直接影響，尤其是鈦合金材料[26]。經(jīng)測試和計算，典型Ti-V-Cr系阻燃鈦合金Ti40合金在室溫(21.7℃)下的密度為5.125 g·cm-3，詳細測試參數(shù)如表2所示。

表2 計算Ti40阻燃鈦合金室溫(21.7 ℃)密度的參數(shù)

圖4為Ti40合金的楊氏模量、剪切模量和泊松比-溫度曲線。從圖4(a)中可以看出，在室溫(24 ℃)到600 ℃范圍內(nèi)的，Ti40合金的楊氏模量E和剪切模量G隨著溫度的升高而下降。原因是：隨著

溫度升高，合金吸收的能量會加劇晶格振動頻率，使合金在相同應(yīng)力作用下更容易發(fā)生彈性變形和剪切變形，從而降低合金的楊氏模量和剪切模量[27]。從圖中還可以看出，楊氏模量E和剪切模量G的下降趨勢均呈線性關(guān)系，且兩者下降斜率非常接近，只是楊氏模量E的下降斜率比剪切模量G略高。從室溫到600 ℃，楊氏模量E從108 GPa下降到93.7 GPa，剪切模量G從39.5 GPa到33.8 GPa。

采用最小二乘法對實驗測試數(shù)據(jù)進行線性擬合，獲得Ti40阻燃鈦合金的楊氏模量E、剪切模量G與溫度T之間的關(guān)系如下：

E=108.74224-0.02392t

(7)

G=39.82458-0.00969t

(8)

式中：E為楊氏模量，GPa；G為剪切模量，GPa；t為溫度，℃。

圖4(b)顯示泊松比μ隨著溫度升高而緩慢增加，但其增長趨勢的線性吻合度不高，從室溫到600 ℃，由0.37增加到0.39。

圖5為Ti40合金線膨脹系數(shù)和平均線膨脹系數(shù)圖。從圖5(a)可以看出，與Ti55531，Ti45Nb等近β(或β)型鈦合金的線膨脹系數(shù)α1隨著溫度的升高呈拋物線式增加，在20～600 ℃，Ti40合金的線性熱膨脹系數(shù)α1隨著溫度的升高呈開口向上型拋物線增加，從0增加到0.61%。原子發(fā)生非線性震動是產(chǎn)生熱膨脹的根本原因，溫度越高原子震動越劇烈，其直觀表現(xiàn)為發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，因此線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而增大。而平均線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而增加，與常規(guī)鈦合金相似(鈦及鈦合金的線膨脹系數(shù)約為(8.2～9.1×10-6)K-1)，Ti40合金的平均線膨脹系數(shù)隨著溫度的升高呈開口向下型拋物線增加(見圖5(b))，增加的趨勢越來越小，從100 ℃到600 ℃，平均線膨脹系數(shù)從8.08×10-6·℃-1增加到10.5×10-6·℃-1。采用最小二乘法對實驗測試數(shù)據(jù)進行擬合，獲得Ti40合金的平均線性熱膨脹系數(shù)α與溫度T之間的關(guān)系如下：

α=7.282+0.00915t-6.42857×10-6t2

(9)

式中：α為平均線膨脹系數(shù)，10-6·℃-1；t為溫度，℃。

綜上所述，在室溫到600 ℃范圍內(nèi)，Ti40合金的楊氏模量、剪切模量、泊松比和熱膨脹等熱物理性能數(shù)據(jù)受溫度的影響呈現(xiàn)的變化趨勢比較穩(wěn)定，說明Ti40合金的熱物理性能在600 ℃以下具有較好的穩(wěn)定性和可預測性，為其推廣應(yīng)用于發(fā)動機的高溫環(huán)境奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 論

(1)真空自耗電弧熔煉技術(shù)制備的Ti40阻燃鈦合金3噸級大型鑄錠的成分均勻性良好。

(2)采用熱擠壓開坯(HEFF)+包套保護鍛造(WPF)方法制備的Ti40合金55 mm×270 mm×Lmm板坯組織均勻，室溫下具有950 MPa級的強度，500 ℃溫度下具有良好的熱暴露性能、高溫蠕變性能和高溫持久性能。

(3)在室溫到600 ℃范圍內(nèi)，Ti40阻燃鈦合金的楊氏模量、剪切模量、泊松比和線膨脹等熱物理性能數(shù)據(jù)受溫度的影響呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的變化趨勢：楊氏模量E和剪切模量G隨著溫度的升高呈線性下降，彈性模量E的下降斜率略高，泊松比μ隨著溫度升高而緩慢增加；線膨脹系數(shù)和平均線膨脹系數(shù)曲線隨著溫度升高呈拋物線增加。

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Abstract： As a functional material of burn-resistant titanium alloy, the physical properties of Ti40 alloy were first reported. The chemical compositions of Ti40 alloy ingots by VAR were uniform. The microstructures of Ti40 alloy slab manufactured by HEFF+WPF were uniform. The results show that the room temperature tensile strength of Ti40 alloy is 950 MPa degree. The properties of high temperature heat exposure, creep resistance and lasting time are good at 500 ℃. In the range from room temperature to 600 ℃, Young’s modulus and shear modulus are decreased linearly with increasing the temperature, Poisson’s ratio is increases slowly as the temperature rises, and linear thermal expansion coefficient and average linear expansion coefficient is increase as the temperature rises.

Keywords: burn-resistant titanium alloy；Ti40 alloy；thermo-physical properties；slab；mechanical properties

(責任編輯：張 崢)

Thermo-physicalPropertiesandMechanicalPropertiesofBurn-resistantTitaniumAlloyTi40

LAI Yunjin1,2, ZHANG Pingxiang1,3, ZHANG Saifei1, WANG Kaixuan2, LEI Qiang2, XIN Shewei3, ZHENG Yongjian1, TAN Qiming2

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2.NLEL for Special Titanium Alloy Material Manufacturing, Western Superconducting Technologies Co., Ltd, Xi′an 710018, China; 3.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi′an 710016, China)

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000159

TG146.2+3

A

1005-5053(2017)05-0022-07

國家自然科學基金(51504037)；國際科技合作專項(2013DFB50180)；陜西省重大科技成果轉(zhuǎn)化引導專項(2015KTCG01-11)

賴運金(1979—)，男，博士，高級工程師，主要從事特種鈦合金材料制備技術(shù)研究，(E-mail)laiking62@c-wst.com。

2016-09-09；

2016-11-30