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        Ti-1023鈦合金棒材的組織與性能

        2022-07-29 08:29:12供稿楊嘉珞岳旭喬恩利張起顧忠明
        金屬世界 2022年4期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能工藝

        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。

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