Ti60高温钛合金环材组织与性能的研究

1、前 言

近年，近α型高温钛合金已成为研究热点。国外，600℃高温钛合金研究成果已用于航空发动机上，取得了良好使用效果。如英国的IMI834、美国的Ti－1100、俄罗斯的BT18Ｙ等高温钛合金研究成果应用在航空发动机上后，显著地提高了发动机的性能。IMI834合金是20世纪80年代英国IMI钛公司和Roll－Ｒｏｙｃｅ公司联合开发的一种钛合金，使用温度接近600℃，取代了喷气发动机原用的IMI685，IMI82９合金，一直用在ＥＪ200军用喷气式发动机上，还用做Ｒ－ＲＴｒｅｎｔ系列商用喷气式发动机压气盘和高压压气机涡轮盘［1－6］。

国内高温钛合金研究也取得了重要的进展与成果，如中国科学院金属研究所和宝钛集团有限公司开发的Ti60钛合金、西北有色金属研究院开发的Ti600高温钛合金。相关单位还在继续对航空发动机压气机盘和涡轮盘用高温钛合金开展深入研究，不断满足航空发动机对高温钛合金的要求。Ti60，Ti600［2］高温钛合金是国内钛合金研究成果的重要代表，具有国际先进水平。

为满足600℃下航空发动机压气机盘所需材料的性能设计要求，开展了高温钛合金成分和显微组织的研究。在合金成分（Ti－Al－Sn－Zr－Mo－Nb－Ta－Si系）确定的前提下，通过对合金锻造和热处理工艺的研究，控制合金的α2强化相和硅化物相的成形形态和数量，使该合金的环材组织为双态组织，从而保证该合金具有良好的综合性能，以期该合金环材在航空发动机压气机盘上得到应用。

2、实验

实验采用宝钛集团有限公司真空自耗炉熔炼的4t工业铸锭，其ɑ＋β/β相转变温度为1045℃。

铸锭经β相区开坯成棒坯，棒坯下料后在β相区和ɑ＋β两相区采用多火次锻造工艺，锻制出ϕ460／ϕ220ｍｍ×160ｍｍ的环材，环材经双重退火后切取试样，分别进行拉伸、热稳定、蠕变、断裂韧性和显微组织等项目检测。拉伸试验在德国的Ｚｗｉｃｋ万能试验机上进行，其中热稳定性试样需要在600℃进行100ｈ的热暴露；利用ＺｅｉｓｓＡｘｉｏｖｅｒｔ200ＭＡＴ金相显微镜观察热处理前后的金相显微组织，利用扫描电镜和透射电镜检查强化相α2和硅化物；在ＳＡＮＳ－ＧＷＴ105高温蠕变持久试验机上进行蠕变及持久实验，蠕变试验条件为600℃／160Mpa／100ｈ，持久试验条件为600℃／310MPa；断裂韧性试验采用紧凑拉伸试样，在ＭＴＳ810材料试验机上进行。

3、结果及讨论

3.1　显微组织

环材在α＋β两相区锻造后不同部位的锻态金相显微组织见图1。从图中已经观察不到原始β晶界，初生α相呈等轴状或椭球状，长条状初生α相较少。

由于环材在α＋β两相区变形量较大，长条状的连续晶界α相被充分破碎，保证了环材的室温塑性和热稳定性。环材不同部位的锻态组织差别不大，环材外缘和内缘初生α相的形态虽然有些差别，但数量却相差不大（见图1ａ和图1ｃ），说明内外缘的变形温度和冷却速度均相差不大。但因热加工变形量的均匀性存在差别，外缘处变形均匀，初生α相等轴化程度较好（大小均一且分布均匀），而且环材内外处变形均匀性和冷却条件相对不一致，导致初生α相等轴化程度和体积稍有差别；环材1／2Ｒ处由于冷却速度较慢、热加工时变形更均匀，因此初生α相的比例更大、等轴化程度更好一些。

图1　环材的锻态显微组织：（ａ）外缘；（ｂ）1／2Ｒ处；（ｃ）内缘

Ｆｉｇ.1　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｆｏｒｇｅｄｒｉｎｇ：（ａ）ｏｕｔSiｄｅ；（ｂ）1／2ｒａｄｉｕｓ；（ｃ）ｉｎSiｄｅ

环材经过双重退火热处理后的显微组织见图2。 从图2中可以看到，α＋β两相区热加工的环材，经过双重退火热处理后环材为较均匀的双态组织。与锻态组织相比，其初生α相含量明显减少，其等轴初生α相体积分数减少为25％～30％，且环材各个方向组织更加均匀一致。

图2　环材经双重退火热处理后的显微组织：（ａ）弦向；（ｂ）径向；（ｃ）轴向

Ｆｉｇ.2　ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆTi60ｒｉｎｇａｆｔｅｒｄｕｐｌｅｘｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ：（ａ）ｃｈｏｒｄｗｉｓｅ；（ｂ）ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃTiｏｎ；（ｃ）ａｘｉａｌｄｉｒｅｃTiｏｎ

3.2　硅化物和α2强化相

为了提高热强性，Ti60钛合金中加入了较高含量的Si。通过透射电镜观察，发现合金中有硅化物析出（见图3）［3］。由于Si在β钛中的溶解度大大超过在α钛中的溶解度，硅化物伴随着β钛向α钛的转变而析出，析出位置是在α／β相界面附近和残余β相中，多以线形排列。而在α钛中，硅化物析出量很少。

图3　Ti60合金中析出的硅化物：（ａ）明场像；（ｂ）暗场像

Ｆｉｇ.3　ＴＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆSiｌｉｃｉｄｅｓｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄｉｎTi－60ａｌｌｏｙ：（ａ）ｂｒｉｇｈｔｆｉｅｌｄ；（ｂ）ｄａｒｋｆｉｅｌｄ

Si对高温钛合金的性能影响有两个方面。一方面是Si固溶于基体内，容易聚集成气团，对位错运动起到强烈的阻碍作用，从而起到固溶强化的作用。当位错运动时，气团落后于位错，对位错起到钉扎作用，因而可以提高蠕变抗力。另一方面，Si以硅化物的形式析出，也可以阻碍位错运动，起到沉淀强化的作用。但硅化物析出过多，会导致基体内固溶的Si元素减少，从而降低蠕变抗力。有研究表明［5］，Si的添加量超过0.35％即可达到较好的高温蠕变性能。因此，在较高Si含量的高温钛合金中，适当控制硅化物细小弥散析出，可起到颗粒强化作用，强化晶界和相界，从而提高合金的蠕变性能和其它综合性。

Ti60为高铝当量高温钛合金，透射电镜观察发现有α2强化相（见图4）。α2相的高温强度远高于α相，使得利用α2相强化合金成为可能，但α2相也有脆化作用，这种作用与α2相的含量、尺寸、形状和分布有关。通过工艺要素控制α2相含量将实现高温蠕变性能和室温拉伸塑性及热稳定性的最佳匹配。

图4　７00℃时效热处理后初生α相中析出的α2相

Ｆｉｇ.4　ＰｒｅｃｉｐｉｔａTiｏｎｏｆα2ｐｈａｓｅｉｎｔｈｅｐｒｉｍａｒｙαｐｈａｓｅａｆｔｅｒａｇｅｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔａｔ７00℃

3.3　拉伸、热稳定、蠕变和断裂性能

Ti60合金的室温和600℃拉伸、热稳定性、蠕变和断裂性能如表1、表2所示。

从表1和表2可以看出：Ti60高温钛合金具有较好的综合性能，它的室温拉伸性能、高温拉伸性能、蠕变性能及断裂韧性等均与IMI834合金相当。

4、结论

（1）通过铸锭在β相区锻造开坯和在α＋β两相区多火次锻造成环材及环材经双重退火的热处理工艺，可有效控制α2强化相和硅化物形态与数量，获得的环材金相组织为典型的双态组织。

（2）Ti60高温钛合金具有良好的室温拉伸、高温拉伸、热稳定性、蠕变和断裂韧性等综合性能，其主要性能与英国的IMI834合金相当，适合作为600℃条件下使用的航空发动机压气机盘、叶片等构件的候选材料。

参考文献

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［4］赵亮，乔璐，石卫民，等.热加工对Ti60合金β原始晶粒尺寸分布的影［Ｊ］.稀有金属材料与工程，2008，3７（6）：343－345.

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