Ti60钛合金棒坯等温锻造工艺研究

1、前言

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁性、线膨胀系数小、生物相容性好等优点［1］。从20世纪50年代开始，被广泛应用于航空航天、军事、医疗、石油、化工等领域，并且范围逐步扩大，受到世界各国的高度重视。目前在国民经济中的地位至关重要，其应用水平已成为衡量一个国家工业水平的重要标准。近年来，随着航空航天技术的不断发展，对航空发动机推重比及飞机机动性能提出了更高的要求，从而促使了高温钛合金的发展［2－3］。

Ti60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Ta元素，用来提高合金的蠕变性能，同时通过添加少量C元素来扩大其热加工窗口。对于退火态近α型钛合金，其组织中包括α和β两相，根据锻造和热处理制度的不同，α和β相形貌和比例会发生一定的变化，进而影响合金的力学性能［4］。因而，严格控制合金的热加工历程具有重要意义。研究了Ti60合金的等温锻造工艺，深入分析了不同等温锻造温度对该合金组织及力学性能的影响，为最终获得该合金工艺、组织和性能之间的良好匹配以及扩大其应用范围提供理论基础。

2、实验材料与方法

实验用的锻造棒坯由宝鸡钛业股份有限公司提供。用金相法测得其相变点为1050℃。原材料棒坯经陕西宏远航空锻造有限责任公司改锻后的显微组织为典型的等轴组织，见图1。

改锻完成后将棒材分为4段，分别采用设计的4种不同的等温锻造工艺进行锻造，锻造温度范围覆盖了整个安全加工范围，即980℃两相区低温锻造、1010℃常规锻造、1035℃近β锻造、1070℃β锻造，变形量均为60%。锻后水冷，再对其进行热处理。所采用的热处理制度均为1030℃×2h/OC+700℃×2h/AC。采用OLYMPUSPM－T3光学显微镜观察试样的显微组织，采用万能材料试验机，按照GB/T223—2002标准进行拉伸性能测试。为了得到合金在实际使用环境中的性能，还对试样进行了热暴露处理，测试热稳定性能。

3、结果与讨论

3.1锻态组织形貌

Ti60合金经不同温度的等温锻造工艺锻造后的锻态组织照片如图2所示。由图可见，等温锻造温度对Ti60合金的相形貌及α、β相比例影响很大。

在980℃锻造时，由于锻造温度很低，组织中含有80%～90%的等轴初生α相，β转变组织很少。当锻造温度为1010℃时，初生α相含量减少到60%左右，β转变组织所占比例增多，次生α板条厚度增加。进一步升高锻造温度到1035℃后，发现初生α相含量进一步减少，并且组织混乱程度增加，初生α相边界参差不齐，呈锯齿状，次生α板条厚度进一步增加，如图2c所示。初生α相边界参差不齐的现象与TC11合金中观察到的现象类似［5］，这种不规则的边界通常是组织参与变形的结果，同时也表明组织内部存储了较多的畸变能而处于不稳定状态［6－7］。而次生α条的粗细和它的形核位置的数量有关，形核位置越多，得到的α条越细小，而形核位置常常依赖于组织中亚结构、位错等缺陷的数量。

锻造温度越高，原子扩散速率越大，动态回复和再结晶的程度越大，组织中的晶体缺陷越少。因此，条状α的形核位置越少，厚度越大。当在1070℃锻造时，锻造温度超过了合金的相变点，组织中α相已全部转变为高温β相，在随后的冷却过程中，次生条状α沿原始β晶界形核析出，最终得到网篮组织，如图2d所示。

3.2锻后热处理对Ti60合金组织的影响

Ti60合金经不同的等温锻造工艺锻造后，再经1030℃×2h/OC+700℃×2h/AC热处理后的金相照片如图3所示。两相区锻造组织经热处理后仍由等轴初生α相和转变β组织组成，但与未经热处理的相比，组织形貌发生了很大的变化。980℃等温锻造的Ti60合金经热处理后，组织中原始β晶界变得很清晰，等轴α相主要分布在原始β晶界上，其含量在10%左右，如图3a所示。而1010℃和1035℃等温锻造的Ti60合金经热处理后，其组织特征与980℃锻造的差异较大。1010℃锻造的(图3b)，初生α相形貌呈等轴状或拉长状，含量在25%～30%左右，原始β晶界不明显;1035℃锻造的(图3c)，组织非常均匀，初生α相均呈细小的等轴状，同时β转变组织中的次生α条较细且排列混乱。在单相β区锻造的(图3d)，组织中原始β晶界较明显，原始β晶粒被拉长且具有一定的方向性，表现为典型的回复特征。

3.3等温锻造工艺对Ti60合金力学性能的影响

3.3.1室温拉伸性能

经不同等温锻造工艺锻造后的Ti60合金室温拉伸性能如图4所示。由图4可见，随着等温锻造温度的升高，合金的抗拉强度有所增加，而塑性显著降低。这主要是由于随着锻造温度的升高，组织中的初生等轴α相减少，在随后的热处理过程中，更多的等轴α相转变为β相，使转变β相的过饱和度增大，从而增大析出二次α相的驱动力，使得在冷却过程中更多的二次条状α相弥散析出，组织中α与β相界面增加，变形过程中位错运动的阻力增大，从而使得合金的强度升高，塑性降低。锻造温度进一步升高以后，合金的强度降低，塑性升高。这是由于锻造温度1035℃略高于固溶温度(1030℃)，因此在热处理过程中等轴α含量基本不变，等轴α相主要发生动态回复和球化，组织变得更加均匀，原始β晶粒略有长大，从而导致强度降低，塑性升高。同样的现象也在TC11钛合金中观察到［8］。等温锻造温度达到1070℃后，由于锻造温度高出相变点20℃，得到的是全片层组织，在随后的热处理过程中组织进一步粗化，合金强度和塑性均较低。

3.3.2热稳定性能

不同温度等温锻造的Ti60合金经热处理后，在600℃热暴露100h测试其室温拉伸性能，结果示于图5。从图5可以看出，经热暴露以后，在980℃和1010℃锻造的坯料，其强度和塑性基本相当，而1035℃锻造的坯料，强度略低，塑性却比前两者高，β锻造的塑性最低。

将图5与图4中的室温拉伸性能相比可见，经热暴露以后，几种锻造方式合金的强度均有所升高，而其塑性均有较大幅度下降，这与在其他钛合金中发现的规律是一致的［9－10］。其中，两相区低温锻造(980℃)的合金断面收缩率下降最大，为73%;其次为β锻造(1070℃)的合金(断面收缩率下降64%)，而近β锻造(1035℃)的合金断面收缩率下降幅度最小，为52%。可见，近β锻造可以获得较好的热稳定性能。Donlon等［11］研究了Ti－1100、Ti－6242S和IMI834合金在550℃到600℃范围内的热稳定性能，同样发现经热暴露以后，试样的强度略有增加而塑性急剧下降:对于单相β区加工的Ti－1100合金，经600℃热暴露以后，其延伸率最小只有1%左右，而对于α/β两相组织的IMI834合金，其塑性基本保持在6%～8%范围内。由此可见，Ti60合金在600℃下的热稳定性能优于Ti－1100合金，而两相组织Ti60合金的热稳定性能与两相IMI834合金的热稳定性能相当。

4、结论

(1)在两相区温度范围内锻造，随等温锻造温度的升高，Ti60合金锻态组织中初生等轴α相含量逐渐减少，β转变组织所占比例增多，次生板条α厚度增加。单相β区锻造得到全片层组织。不同组织结构经同样热处理工艺处理后组织差别较大。

(2)在两相区低温锻造的合金具有最好的塑性，常规锻造合金强度升高，塑性降低。近β锻造合金的强度较常规锻造合金低，塑性略高。而β锻造合金强度和塑性均较低。

(3)热暴露对Ti60合金性能影响较大。经600℃×100h热暴露以后，合金均表现出强度略有升高，而塑性大幅降低。两相区低温锻造合金塑性损失程度最大，其次为常规锻造合金，近β锻造的合金塑性损失程度最小。

参考文献

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