航空发动机用TA19钛合金大规格棒材的组织和性能研究

TA19钛合金相当于美国的Ti-6242S合金。该合金是一种近α型耐热钛合金，其名义成分(质量分数，%)为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，含有α稳定元素Al，中性元素Sn和Zr，同晶型β稳定元素Mo，共析型β稳定元素Si。主要用于制造航空发动机的压气机机匣和飞机蒙皮等零件，最高的长期工作温度为500℃。该合金可加工成自由锻件、模锻件、棒材和其它形式的产品。

TA19钛合金的主要特点是具有中等的室温和高温强度，良好的热稳定性和焊接性能。与Ti-6Al-4V(TC4)相比，在相同温度下其变形抗力要比Ti-6Al-4V明显提高。随着TA19钛合金的大量使用，大规格棒材及制坯成为生产中急待解决的技术问题。采用常规的(α+β)锻造，由于其锻造温度在β转变温度下40～50℃，相对于近β锻造温度要

低，因此给大规格棒材改锻带来了困难，锻造火次多，能耗浪费大。TA19钛合金在锻造过程中对工艺参数较为敏感，不同的锻造工艺参数导致棒材组织性能的差异较大。为了满足标准要求必须分析变形工艺参数、组织状态和成形后使用性能三者间关系，进而优化工艺参数。为此，在实际生产中，TA19钛合金的制坯采用了β相区和近β相区锻造，减少材料的损耗，提高生产率和缩短生产周期。成品棒材的组织、性能、超声波探伤均满足技术标准要求。

1、试验

1.1试验材料

试验用的TA19钛合金铸锭采用真空自耗电弧炉三次熔炼，锭型为φ720mm。其化学成分符合GB3620国家标准要求，铸锭的化学成分见表1。用金相法测定铸锭的相转变温度为1010～1015℃。

1.2试验方法

锻造加热温度、变形量及变形速度对显微组织影响较大。对钛合金锻造加热温度来讲，β转变温度是一个重要的临界温度，低于这个温度即在α+β相区锻造变形后，经双重退火处理，获得等轴α+β转变组织(图1(a))。高于β转变温度即在β区1050℃锻造变形后，经双重退火处理，获得网篮状组织(图1(b))。

因为不同锻造温度对晶粒度的影响是不同的，随锻造温度的升高，晶粒有所长大。钛合金的组织特征是在变形过程中形成的，并且在随后的热处理中是不能改变的，在β区加热变形，由于β相的晶粒长大，组织变化是不可逆的，这种组织只有重新在α+β相区变形才能改变。在β转变温度以下的温度变形实际上不引起宏观晶粒长大，但显微组织得到了细化。因此要细化宏观组织必须在β区变形，而为了细化显微组织，终锻温度应在两相区。

根据以上分析，在31.5MN压力机上执行如下工艺：①在1150℃铸锭镦拔，锻后空冷、修磨；②在β转变温度以上40～90℃镦拔两火次，锻后空冷、修磨；③在β转变温度以上10～30℃，镦拔两火次，锻后空冷、修磨；④在β转变温度以下10～30℃，两火次锻造至成品棒材，锻后空冷。

根据标准要求制取拉伸试样和组织试样。试样的热处理制度为：970℃×60min，空冷+590℃×480min，空冷。按标准检测产品的组织和力学性能。

2、结果和分析

2.1棒材的低倍和显微组织

图2为φ200mmTA19钛合金棒材成品低倍照片。肉眼观察低倍组织均匀，为模糊晶，无肉眼可见的粗大、清晰晶粒。根据GJB2220-1994图1的评级规定，两规格成品棒材低倍组织评级为B2～B3级。

图3为φ200、φ250mmTA19合金成品棒材试样经热处理后的高倍照片。根据GJB 2220-1994的评级规定，两规格成品棒材高倍组织评级为B5～B6级。

从图中可以看出，显微组织为初生α相和条状β转变组织构成的双态组织(等轴与条状的混合组织)，即α初+β转。超声波探伤符合国家标准GB5193-85中A级标准要求。

从图3可以看出，两规格棒材的整体组织均匀性较好，等轴α相呈椭球状和短条状，大小均匀分布于β转变基体上。这表明在β单相区开坯，再经β相区和近β相区多火次反复镦拔的锻造过程能较好地起到细化晶粒、改善材料内部组织均匀性的目的。并在α+β相区采用较高温度(低于β相变点30℃)锻造成形，获得了初生α比例(20%～25%)较

佳的双态组织。

2.2棒材的力学性能

棒材的力学性能如表2、3所示。从表2可以看出，TA19钛合金两规格棒材室温和高温抗拉强度平均值分别为1047、705MPa左右，屈服强度分别为946.5、568.75MPa左右，均高出标准约15%，蠕变性能均符合标准要求。从表3可以看出，TA19钛合金两规格棒材在525℃/480MPa下持久性能符合标准要求。因此表明，该合金大规格棒材所采用的锻造工艺是合理的。

3、结论

(1)TA19钛合金铸锭经β相区和近β相区多火次反复镦拔，并采用较高温度的α+β锻造方法成形，获得综合性能良好、组织均匀的大规格棒材。

(2)TA19钛合金是近α型耐热钛合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。

(3)大规格TA19钛合金棒材经970℃×60min，空冷+590℃×480min，空冷的热处理工艺，可以获得良好的综合力学性能。

参考文献：

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