利泰金属谈锻造工艺对Ti60合金棒材组织和性能的影响

1、前言

钛合金具有比强度高、高温性能好和抗腐蚀等优点，因而在航空、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。近年来，随着航空航天技术的不断发展，对航空发动机的推重比及飞机的机动性能提出了更高的要求，作为发动机压气机转子和叶片重要候选材料的高温钛合金更是越来越受到人们的重视［1-2］。

目前，高温钛合金的开发主要集中在 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si近α型体系［3］，较为典型的有IMI834［3］，Ti-1100［4］， BT36［5］， 以 及 中 国 的Ti60［6］和Ti600［７］等。Ti60合金类似于英国的 IMI834合金，是我国自主研制的一种新型近α型高温钛合金。该合金中加入了少量的 Tａ元素用来提高其蠕变性能，同时通过添加少量 Ｃ元素来扩大其热加工窗口。众所周知，对于钛合金来说，通过不同的锻造工艺可以得到不同的微观组织，从而得到不同的力学性能。钛合金在β单相区锻造，得到网篮组织，这种组织具有高的断裂韧性、好的蠕变性能及抗裂纹扩展能力；在α＋β两相区锻造，可以得到等轴组织，这种组织具有较好的塑性和疲劳强度［8］。近β锻造可以得到好的综合性能。已有研究表明，对于IMI834合金来说，含有一定初生α相的双态组织具有最好的疲劳和蠕变性能［9］。而对于Ti60合金，其锻造工艺与组织性能之间关系的研究还是非常有限的。因此，本研究考察了3种不同锻造工艺对Ti60合金棒材组织及性能的影响，为该合金的广泛应用提供一定的理论基础。

2、实验材料与方法

实验用原材料为宝鸡钛业股份有限公司提供的ϕ150ｍｍTi60合金棒材。棒材经陕西宏远航空锻造有限责任公司改锻后得到 ϕ150ｍｍ的锻棒，其组织为初生α相含量约 40％的等轴组织，如图 1所示。

图 1　Ti60合金改锻后的等轴组织

Ｆｉｇ.1　ＥｑｕｉａｘｅｄｍｉｃｒｏｓTｒｕｃTｕｒｅｏｆTi60AlｌｏｙａｆTｅｒｆｏｒｇｉｎｇ

采用金相法测得其相变点为1045℃。在锻棒上切取3段ϕ150ｍｍ×62ｍｍ的圆柱，在3T自由锻锤上采用3种不同的锻造工艺进行镦粗，即1015℃常规锻造、1035℃近β锻造和10７0℃β锻造，变形量为50％，锻后立即水冷，热处理制度为1020℃／2ｈ，空冷 ＋７00℃／2ｈ，空冷。采用光学显微镜观察试样的高倍组织，采用万能试验机测试其力学性能。室温和高温拉伸试样的工作直径均为 ϕ5ｍｍ，标距有效长度为 25ｍｍ。采用 ＳＵＰＲＡTＭ55型扫描电子显微镜观察和分析试样断口形貌，探索不同的组织形貌对断裂机制的影响。

3、结果与分析

3.1　锻造工艺对Ti60合金棒材显微组织的影响

Ti60合金棒材经常规锻造、近β锻造和β锻造后的显微组织如图 2所示。从图中可以看出，不同的锻造工艺对Ti60合金棒材显微组织的形态有显著的影响。常规锻造获得典型的等轴组织，由于锻造温度低，组织中等轴α相含量较多，约为60％，等轴α相大小不一，形态各异，锻后水冷使二次析出的条状α细小，取向混乱，见图 2ａ。近β锻造比常规锻造的温度稍高，也得到等轴组织，但等轴α相含量略微有所降低，约为 40％左右，等轴α相大小比较均匀，二次析出的条状α较粗，条状α集束分布没有常规锻造明显，分布更加混乱，见图 2B。β锻造后获得典型的网篮组织，由于高温锻造后采用水冷，冷却速度较快，故α集束交织分布成网篮状，热处理第一次高温退火后采用空冷，条状α有充分的时间析出和长大，因而条状α较宽，β晶界较明显（见图 2ｃ）。此外，β锻造后锻件的组织很不均匀，在某些局部区域出现大块α相，如图 3所示。

图 2　Ti60合金经不同工艺锻造后的金相照片：（ａ）常规锻造；（B）近β锻造；（ｃ）β锻造

Ｆｉｇ.2　ＭｅTAlｌｕｒｇｉｃAlｍｉｃｒｏｓTｒｕｃTｕｒｅｓｏｆTi60AlｌｏｙｒｅｓｕｌTiｎｇｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎTｆｏｒｇｉｎｇ：（ａ）α＋βｆｏｒｇｉｎｇ；（B）ｎｅａｒ-βｆｏｒｇｉｎｇ；（ｃ）βｆｏｒｇｉｎｇ

图 3　β锻造Ti60合金中的大块α相

Ｆｉｇ.3　BｌｏｃｋｙAlｐｈａｉｎBｅTａ-ｆｏｒｇｅｄTi60Alｌｏｙ

大块α相在钛合金β锻造中经常会出现，会导致合金性能恶化，因此也引起了广大研究者的关注。

董长升等［10］认为粗大α相具有组织“遗传性”，当原始坯料组织粗大或不均匀时，常常会引起大块α相的产生，而这种组织即使在两相区多火次大变形后还是很难消除。Ｆ.Ｊ.Ｇｉｌ等人［11］对 TＣ4钛合金的研究结果表明，粗大的α条是由于冷却速率过低造成的，提高冷却速率可以明显减少和避免大块α相的出现。曾卫东等人［12］在研究冷却速率对 TＣ11钛合金β加工显微组织的影响时也发现，热处理后立即水冷，可避免或减少大块α相的出现。

3.2　锻造工艺对Ti60合金拉伸性能的影响

Ti60合金经过不同锻造工艺的室温及高温拉伸性能如图 4所示。从图中可以看出，3种锻造工艺的强度相差不大，其中近β锻造和β锻造的强度略高，但从断面收缩率来看，α＋β锻造和近β锻造的室温和高温塑性均高于β锻造，可见，近β锻造具有更好的强度与塑性的匹配。

Ti60合金采用不同的锻造工艺得到不同的力学性能是由其不同组织的不同变形机理决定的。Ｊ.Ｃ.Ｗｉｌｌｉａｍｓ认为金属变形时的强度与塑性与滑移长度有关，滑移长度越短，强度和塑性越高［13］。等轴组织的滑移长度是由等轴组织中的初生α相决定的，等轴α相越多，晶粒越细小，滑移长度越小，产生的位错塞积越少，因而在断裂前能产生更大的变形而具有更高的塑性。片状组织的滑移长度是由片状组织的α片厚度或束域尺寸决定的，片状组织的厚度、束域大小及β晶界对塑性变形行为的影响是不同的。由于片状组织中α相与β相之间的滑移系和孪生系有一定的几何关系，位错在α晶粒中产生后沿滑移面运动，可以无阻碍地越过α／β相界，在β相中继续运动，直到位错运动至魏氏组织束域界或原始β相晶界处，因而断裂前位错塞积长度长，强度稍高而塑性急剧下降。

图 4　Ti60合金经不同工艺锻造的室温（ａ）及高温（B）力学性能

Ｆｉｇ.4 ＲｏｏｍTｅｍｐｅｒａTｕｒｅ（ａ）ａｎｄｈｉｇｈTｅｍｐｅｒａTｕｒｅ（B）ｍｅｃｈａｎｉｃAlｐｒｏｐｅｒTiｅｓｏｆTi60AlｌｏｙｒｅｓｕｌTiｎｇｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎTｆｏｒｇｉｎｇ

3.3　锻造工艺对断口形貌的影响

图 5为 3种不同锻造工艺条件下室温拉伸试样ＳＥＭ断口形貌。从宏观照片可见，常规锻造和近β锻造的断口粗糙不平，有明显的中心纤维区、放射区和边缘与拉伸轴线约成 45°方向的剪切唇区。放射区断口表面比较光亮平坦，放射花样呈发散状且收敛于中心，说明裂纹起源于试样的中心部位（图 5ａ，B）。β锻造的试样断口比较平坦（图 5ｃ），也存在 3个区，但没有前两种工艺明显。从断口微观形貌来看，常规锻造的试样能够观察到大量的蜂窝状形貌，且断口上有大量的撕裂棱，说明该试样为韧性断裂，这与其室温拉伸塑性较好是一致的（图 5ｄ）。近β锻造的试样断口上有大量的韧窝花样，韧窝大小、深度不一，且大多为等轴状（图 5ｅ），属微孔聚集型断裂。这种断口的试样塑性较好。β锻造的试样微观断口可以观察到韧窝形貌，同时也有大量的解理小平面，是韧窝 ＋准解理的混合型断口（图 5ｆ），因而塑性最差。

图 5　室温拉伸试样断口电镜扫描照片：（ａ，ｄ）常规锻造；（B，ｅ）近β锻造；（ｃ，ｆ）β锻造

Ｆｉｇ.5　ＳＥＭ ｆｒａｃTｏｇｒａｐｈｓｏｆTｅｎSiｌｅｓａｍｐｌｅｓａTｒｏｏｍTｅｍｐｅｒａTｕｒｅ：（ａ，ｄ）α＋βｆｏｒｇｉｎｇ；（B，ｅ）ｎｅａｒ-βｆｏｒｇｉｎｇ；（ｃ，ｆ）βｆｏｒｇｉｎｇ

4、结论

（1）Ti60合金经常规锻造后，组织中约含 60％的等轴α相，二次析出的条状α细小，取向较混乱，为典型的等轴组织；近β锻造获得的初生α相含量比常规锻造的少，组织较均匀；β锻造组织为典型的网篮组织，局部有大块α相出现。

（2）3种锻造方式获得的试样强度相差不大，其中近β锻造和β锻造的强度略高，而常规锻造和近β锻造的室温和高温塑性均高于β锻造。近β锻造具有较好的强度与塑性的匹配。

（3）3种锻造方式的室温拉伸断口均由纤维区、放射区和剪切唇区 3个部分组成。常规锻造与近β锻造的试样断口均为韧窝型断裂，其中近β锻造中的韧窝更深，大小更均匀。β锻造的试样为韧窝 ＋准解理的混合型断口。

参考文献

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