供稿|楊嘉珞，岳旭，喬恩利，張起，顧忠明/

Ti-1023鈦合金是一種高可靠性、低成本的高強(qiáng)高韌性近β鈦合金，名義成分為T(mén)i-10V-2Fe-3Al，具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透截面大、各向異性小、鍛造溫度低和抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足高可靠性和低制造成本的設(shè)計(jì)要求，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。

基于新疆湘潤(rùn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)條件，熔煉出Ti-1023鈦合金φ650 mm規(guī)格2 t級(jí)鑄錠，經(jīng)多次鍛造制備為φ160 mm的棒材。本文通過(guò)對(duì)鑄錠成分以及棒材宏觀、微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，總結(jié)出Ti-1023合金棒材合理的生產(chǎn)工藝，達(dá)到了預(yù)期的效果。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用0A級(jí)小顆粒海綿鈦以及多元中間合金共投料2 t經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉制備成φ650 mmTi1023鈦合金鑄錠，主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)V為9.0%～11.0%、Fe為1.6%～2.2%、Al為2.6%～3.4%，其余為T(mén)i，符合GJB1538的要求。鑄錠經(jīng)過(guò)切冒口、切底、鋸切中分后，在軸向外圓頭部、中部、尾部(圖1)，橫截面9點(diǎn)位置(圖2)取樣，用原子發(fā)射光譜法測(cè)試其主要合金元素(Al、V、Fe)的含量和其他雜質(zhì)元素。

圖1 鑄錠縱向表面取樣點(diǎn)示意圖

圖2 鑄錠橫截面9點(diǎn)位置取樣示意圖

在Ti-1023鈦合金鑄錠頭部切取適量樣塊，采用金相法測(cè)得α+β相/β相的轉(zhuǎn)變溫度為805～810 °C。鑄錠整體采用“高-低-高-低”工藝路線進(jìn)行加工鍛造，采用45/50MN快鍛機(jī)在單相區(qū)(β相區(qū))開(kāi)坯，最后鍛成φ160 mm的成品棒材。

按GJB1538標(biāo)準(zhǔn)，Ti-1023鈦合金棒材的組織和力學(xué)性能采用在φ160 mm棒材上沿縱向切取20 mm厚試樣片和80 mm長(zhǎng)樣棒用于各項(xiàng)性能檢測(cè)。20 mm厚試樣片平端面后檢查R態(tài)、β斑(785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC)和固溶時(shí)效(775 ℃×1.5 h WC+540℃×8 h AC)處理后的高低倍組織，采用ICX41M金相顯微鏡觀察組織形貌并拍攝金相照片。80 mm長(zhǎng)的樣棒在馬弗爐以775 ℃×1.5 h WC+540 ℃×8 h AC的制度進(jìn)行熱處理后，用H-5550K半自動(dòng)帶鋸床在試樣片D/4處切取橫縱向試樣坯，按標(biāo)準(zhǔn)要求機(jī)械加工成力學(xué)性能測(cè)試試樣，對(duì)其進(jìn)行室溫力學(xué)性能拉伸檢測(cè)，拉伸實(shí)驗(yàn)在CMT5205拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定。同時(shí)，對(duì)成品棒材進(jìn)行接觸法超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)。

結(jié)果及分析

鑄錠的化學(xué)成分分析

按照產(chǎn)品取樣要求在鑄錠表面縱向頭部、中部、尾部和橫截面9點(diǎn)位置進(jìn)行取樣，檢測(cè)不同部位主要合金元素含量，測(cè)試結(jié)果顯示鑄錠化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其是縱向表面頭部和尾部?jī)蓚€(gè)位置的雜質(zhì)元素(C、N、O、H)含量測(cè)試結(jié)果都能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)范圍要求，說(shuō)明鑄錠的純凈度很高[2]。

圖3為鑄錠不同部位主要合金元素化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)圖。取樣點(diǎn)位置分別為鑄錠外圓頭、中、尾縱向表面(1～3點(diǎn))，頭、中和尾部3個(gè)橫向截面(4～30點(diǎn))。由圖3可以看出，外圓面上頭、中、底3點(diǎn)取樣檢測(cè)的主元素Al、V、Fe化學(xué)成分波動(dòng)較小，其中Al元素含量為3.16%～3.24%；V元素含量為9.86%～10.06%；Fe元素含量為1.77%～1.89%；Al、V元素偏差不大于0.2%，其中易偏析元素Fe的偏差不大于0.12%，說(shuō)明生產(chǎn)的鑄錠軸向方向上化學(xué)成分均勻性較好；鑄錠頭、中、底橫截面九點(diǎn)取樣檢測(cè)化學(xué)成分均可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，主元素Al、V最大偏差不大于0.13%～0.27%，易偏析Fe元素偏差不大于0.34%。整體來(lái)看，鑄錠均勻性良好，各元素成分均滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 Ti-1023鈦合金鑄錠不同位置的合金元素成分圖

鑄錠在采用真空自耗電弧熔煉過(guò)程中，存在易發(fā)生偏析元素Fe，可能會(huì)出現(xiàn)鑄錠熔煉時(shí)成分不均勻或偏析現(xiàn)象。根據(jù)鈦合金相圖以及合金的凝固理論，在正常的凝固條件下，偏析系數(shù)k≥1的合金元素不易出現(xiàn)偏析，除非在熔煉過(guò)程中合金元素和中間合金未能充分均勻化；偏析系數(shù)k＜1的合金元素，即使熔融狀態(tài)下合金是均勻的，但在凝固時(shí)同一溫度下的固相成分和液相成分仍存在一定差別，液相中元素含量總是高于固相，這就導(dǎo)致鑄錠容易在中部和頭部產(chǎn)生偏析[3]。由圖3可以看出，橫截面頭部中心點(diǎn)Fe元素含量略高，次之為中部，最后是尾部，與上述分析一致。

總體來(lái)看，Ti-1023鈦合金2 t級(jí)鑄錠主要合金元素化學(xué)成分分布均勻、純凈度良好，均滿(mǎn)足鑄錠的技術(shù)要求，這也表明了鑄錠在原材料的選擇以及對(duì)熔煉過(guò)程中的工藝控制等方面都是合理可行的。

棒材組織形貌分析

Ti-1023鈦合金在φ160 mm棒材的頭部、尾部位置切取試樣片進(jìn)行表面腐蝕后的鍛態(tài)(R態(tài))照片。

從圖4可以看出，棒材的低倍組織為均勻模糊晶，不存在偏析、夾雜以及其他類(lèi)冶金缺陷，說(shuō)明該鍛造坯料獲得了充分的變形。采用4500 t快鍛機(jī)大噸位壓力，通過(guò)對(duì)鑄錠采用“高-低-高-低”工藝路線進(jìn)行多火次鍛造，充分破碎鑄態(tài)晶粒，坯料采用換向鍛造，提高坯料的鍛透性，使棒材的組織更加均勻。鍛造工藝?yán)媒潞辖鸬摩禄w在快速完成再結(jié)晶時(shí)晶粒長(zhǎng)大很緩慢這一加工特性，使金屬的晶粒處于反復(fù)破碎，亞晶粒合并長(zhǎng)大和晶界遷移過(guò)程中，最終棒材組織趨于均勻一致[4]，為棒材均勻的組織和良好的性能打下了良好的基礎(chǔ)。

圖4 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材不同位置的R態(tài)照片：(a)頭部；(b)尾部

在相當(dāng)于鑄錠頭部位置的棒材試樣片上切取不同區(qū)域(邊部、D/4和心部)的橫向試樣，觀察R態(tài)和對(duì)其進(jìn)行固溶加時(shí)效熱處理后的顯微組織，見(jiàn)圖5和圖6。從圖5可以看出，棒材R態(tài)顯微組織由β基體和基體上分布的均勻、細(xì)小的等軸初生α相組成，初生α相平均尺寸為3.5 μm左右，初生α相的體積分?jǐn)?shù)在35%以上。從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理后，等軸化晶粒更顯著，表明鍛造變形量等工藝參數(shù)合理。

圖5 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材不同位置的R態(tài)顯微組織：(a)邊部；(b)D/4；(c)心部

圖6 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材固溶時(shí)效處理后不同位置的顯微組織：(a)邊部；(b)D/4；(c)心部

棒材β斑檢測(cè)結(jié)果

Ti-1023鈦合金Fe元素的平衡分配常數(shù)是0.3，有很大的偏析傾向。Ti-1023鈦合金β斑形成的主要原因是“Fe”合金材料的局部偏析富集引起此部分β轉(zhuǎn)變溫度比基體下降，導(dǎo)致在富Fe區(qū)形成不含初生α相或α相含量相對(duì)稀少的區(qū)域，即β斑，β斑會(huì)嚴(yán)重影響合金的塑性和低周疲勞壽命[5-7]。

TB6合金鑄錠Fe成分不均勻是形成β斑的“先天”因素，后續(xù)的熱加工和熱處理工藝是影響β斑產(chǎn)生的“后天”因素[8]。依據(jù)GJB1538中熱處理工藝選擇785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC制備棒材。對(duì)棒材進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)宏觀形貌上棒材局部無(wú)異?，F(xiàn)象(圖7)；而微觀組織等軸初生α相含量約為15%，滿(mǎn)足GJB1538中初生α相含量大于10%以上的標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖8所示。由此表明熔煉工藝和鍛造工藝在控制β斑方面有一定顯著效果。

圖7 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材β斑檢查照片

圖8 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材的顯微組織：(a)邊部；(b)D/4；(c)心部

力學(xué)性能

φ160 mmTi-1023鈦合金成品棒材的力學(xué)性能結(jié)果如表1所示(每組取兩個(gè)平行試樣)。

表1 φ160 mm Ti-1023鈦合金棒材D/4位置處的力學(xué)性能

從表1可以清楚地看出，棒材的各項(xiàng)性能均符合相關(guān)指標(biāo)的要求，橫縱向的高塑性和強(qiáng)度都是均勻的，塑性較標(biāo)準(zhǔn)值有一定的富余。說(shuō)明在鍛造時(shí)采用適當(dāng)?shù)墓に囀蛊溆休^為充分的變形，使得棒材在各個(gè)方向上組織的均勻性比較好，差異性較小。

棒材的超聲波檢測(cè)

采用SONATEST 380M型超聲探傷儀、奧林巴斯V109探頭對(duì)φ160 mm Ti-1023鈦合金成品棒材的超聲檢測(cè)從波形來(lái)看，噪聲水平不高于20%，噪聲均勻，無(wú)明顯缺陷信號(hào)出現(xiàn)，底波變化幅度小于6 dB，噪聲水平為半聲程φ1.2 -9 dB～-12 dB(圖9)，表明成品棒材可滿(mǎn)足GB/T5193—2007標(biāo)準(zhǔn)中的A1級(jí)要求。圖9中橫坐標(biāo)代表深度，縱坐標(biāo)代表信號(hào)高度，滿(mǎn)屏按100%計(jì)。

圖9 探傷波形

結(jié)束語(yǔ)

(1)采用0A級(jí)小顆粒海綿鈦以及多元中間合金熔煉生產(chǎn)的鈦合金鑄錠，成分均勻性良好，鑄錠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)鑄錠采用“高-低-高-低”工藝進(jìn)行多火次鍛造制備出高倍組織、低倍組織、超聲波探傷都符合GJB1538標(biāo)準(zhǔn)要求的棒材。

(3)采用合適的熱處理工藝，棒材的強(qiáng)度橫縱向差異小，各點(diǎn)均勻性能良好，各項(xiàng)力學(xué)性都可以符合GJB1538標(biāo)準(zhǔn)要求。