鳳偉中,馮紅超,謝林均,徐 哲,代 春,成小麗,劉繼雄
(寶雞鈦業(yè)股份有限公司,陜西 寶雞 721014)
TC18 鈦合金是俄羅斯全俄航空材料研究院于20 世紀(jì)60 年代開發(fā)的一種高強(qiáng)鈦合金,對應(yīng)俄羅斯牌號為BT22。名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe,名義成分下的Al 當(dāng)量為5.0%,Mo 當(dāng)量為11.76%。該合金屬于過渡型α+β 合金,具有較高的強(qiáng)度、良好的伸長率和斷面收縮率、較高的沖擊性能、淬透性能和焊接性能,主要作為結(jié)構(gòu)件在航空領(lǐng)域得到大量應(yīng)用,合金的最高長期工作溫度為400℃。鈦合金型材研究最早可以追溯到20 世紀(jì)50 年代,以俄羅斯和美國為代表的西方國家,在航空領(lǐng)域應(yīng)用為主,為航空發(fā)動機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等裝備研發(fā)了各類構(gòu)件用型材、次承力框等鈦合金型材,為鈦合金型材在該領(lǐng)域大量應(yīng)用開創(chuàng)了先河。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,鈦合金型材已經(jīng)在航空航天、軍用戰(zhàn)斗機(jī)、民用客機(jī)等方面得到了大量應(yīng)用,覆蓋了低強(qiáng)、中強(qiáng)和高強(qiáng)級別,開發(fā)出了包含“T”“L”“U”“H”“Z”“Y”及“幾”型等各種截面的鈦合金形材。目前鈦合金型材生產(chǎn)的主流方法為熱擠壓成型,然后根據(jù)實際需求通過表面精整或機(jī)加加工成最終形狀。
已有的熱處理工藝主要是針對自由鍛造、模鍛等工藝生產(chǎn)的TC18 鈦合金,對于擠壓方式生產(chǎn)的TC18 鈦合金型材熱處理制度尚未見報道。由于擠壓成形的型材組織與鍛造后的組織差別較大,因此本研究針對國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目型材(截面尺寸見圖1)性能指標(biāo)要求,開展了熱處理工藝對TC18 鈦合金厚壁U 型材組織及性能的關(guān)系研究,為TC18 鈦合金擠壓型材的熱處理奠定了理論基礎(chǔ)。
圖1 TC18 鈦合金U 型材示意圖及產(chǎn)品實物圖
本文以TC18 鈦合金為試驗材料,其主要成分滿足GB/T3620.1 的要求,采用海綿鈦及相應(yīng)中間合金為原料壓制電極,經(jīng)過3 次真空自耗熔煉后,制得規(guī)格為800mm 的TC18 鈦合金鑄錠。然后,經(jīng)過多火次鍛造成210mm 擠壓棒坯,通過加熱在3150 臥室水壓機(jī)上擠壓出鈦合金U 型材。通過金相法測得該合金α+β/β 相變點(diǎn)為875℃。
利用電火花線切割機(jī),在擠壓后的TC18 鈦合金U型材上取金相、拉伸及沖擊韌性試樣。試樣分別采用4 種雙重退火制度(見表1),在箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理后,利用HF:HNO3:H2O 為1:3:10(體積比)的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕后,采用光學(xué)顯微鏡對試驗型材的顯微組織進(jìn)行觀察。按照GB/T228.1 標(biāo)準(zhǔn)要求,利用萬能拉伸試驗機(jī)測試鈦合金型材室溫力學(xué)性能。按照GB/T229 標(biāo)準(zhǔn)要求,利用N1500C 沖擊試驗機(jī)測試型材沖擊韌性。
圖2 為TC18 鈦合金熱擠壓U 型材,經(jīng)過β 相變點(diǎn)(875℃)以下不同固溶時效熱處理后的顯微組織。從圖2(a)-(d)可以看出,該合金主要由β 單相區(qū)加工組織組成,隨時效溫度升高,時效后組織越來越粗化。從圖2 可清楚看到合金原始的較粗大的β 晶粒,在原始的β 晶粒內(nèi)存在相互交錯的細(xì)針狀α 相,部分α 相沿著晶界不均勻分布。
圖2 TC18 鈦合金U 型材經(jīng)不同雙重退火制度熱處理后的顯微組織
圖3 為不同時效熱處理后TC18 鈦合金型材拉伸性能和沖擊韌性測試結(jié)果。從圖中可以看出,經(jīng)過表1 所示固溶時效熱處理后的鈦合金型材,其力學(xué)性能實測結(jié)果大于考核指標(biāo)要求的Rm≥1200MPa,Rp0.2≥1050MPa,A≥15%,αKU2≥25J/cm2。
表1 TC18 鈦合金U 型材金相試樣、拉伸樣及沖擊韌性試樣的熱處理制度
從圖3 性能變化曲線可以看出,隨時效溫度上升,材料強(qiáng)度與沖擊韌性先升高后降低,塑性有所提高,且型材強(qiáng)度和沖擊韌性綜合性能在750℃/30min+AC(空冷),585℃/6h+AC(空冷)熱處理后,型材的綜合性能最高,其抗拉強(qiáng)度1276MPa,屈服強(qiáng)度1187MPa,延伸率16%,沖擊韌性達(dá)到33J/cm2。鈦合金型材內(nèi)部組織的次生α 相含量影響著材料的綜合性能,通過時效將馬氏體轉(zhuǎn)化成細(xì)小的α 相和β 相,有利于強(qiáng)度的提高;而隨時效溫度提高,組織粗化加重,造成沖擊韌性降低。
圖3 不同時效處理后TC18 鈦合金型材拉伸性能和沖擊韌性
(1)采用熱擠壓方式制得TC18 鈦合金U 型材經(jīng)4種不同固溶+時效熱處理后,組織形貌基本保留了β 單相區(qū)的熱加工組織;隨著時效溫度的升高,組織越來越粗化,原始的β 晶粒內(nèi)存在相互交錯的細(xì)針狀α 相增多。
(2)采用750℃/30min/AC+585℃/6h/AC 固溶時效處理后,TC18鈦合金U型材力學(xué)性能和沖擊韌性獲得最佳匹配。