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航空航天工程用TC11鈦合金大規(guī)格環(huán)材的組織與性能概述

發(fā)布時間: 2022-10-05 11:40:23    瀏覽次數(shù):

TC11鈦合金屬于高Al當(dāng)量馬氏體型α+β 鈦合金,該合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性及抗蠕變性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。TC11鈦合金作為重要的航空和宇航材料,主要用于制造服役溫度在500℃以下的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒等零件及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等。隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,對這些關(guān)鍵部件用鈦合金的性能要求越來越高,要求其具有更加優(yōu)異的綜合性能。而鈦合金的綜合性能與其最終的組織形態(tài)、相的比例、晶粒的大小及分布情況密切相關(guān)。

目前,鍛造是鈦材熱加工中最常用且最有效的加工方法。不僅可以直接鍛造成工件的形狀,還可以優(yōu)化其微觀組織,改善其力學(xué)性能。但是,鍛造存在遺傳性,會造成成品棒材、餅材、環(huán)鍛件等組織不均勻問題,尤其是大型的餅、環(huán)鍛件。為此,我們采用多火次換向鐓拔鍛造工藝制備大規(guī)格環(huán)材,該變形方式可以使原始坯料中的鑄態(tài)晶粒得到充分破碎和再結(jié)晶,從而消除了成品中出現(xiàn)的金相缺陷。同時,研究熱處理工藝對大規(guī)格環(huán)材組織、力學(xué)性能的影響,從而確定最優(yōu)化的熱加工工藝。

1、實(shí)驗材料及方法

本文實(shí)驗所用材料為TC11鈦合金鑄錠,采用3 次VAR 熔煉,錠型φ 700mm,其主要化學(xué)成分:Al:6.7%,Mo:3.3%,Zr:1.8%,Si:0.3%,其余為Ti。經(jīng)金相法測定其相變點(diǎn)為1016 ℃,鑄錠經(jīng)β 相區(qū)開坯鍛造,α+β 相區(qū)環(huán)坯鍛造、沖孔, 擴(kuò)孔成形鍛造制得成品規(guī)格為φ 830mm/φ 520mm×220mm。在環(huán)材高度方向上截取試樣環(huán)進(jìn)行熱處理實(shí)驗,熱處理在箱式電阻爐中進(jìn)行,其方案見表1。

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為研究環(huán)材組織和力學(xué)性能的均勻性,將大規(guī)格環(huán)材按優(yōu)化出的熱處理工藝制度進(jìn)行整體熱處理后,沿厚度方向分為外表層、1/2 層和內(nèi)表層,沿高度方向分為上表面、H/4、H/2、3H/4 和下表面(H 為環(huán)材高度),共15 個位置,進(jìn)行室溫拉伸性能檢測,考核其力學(xué)性能的均勻性,觀察不同方向的顯微組織,考核其組織的均勻性。

2、實(shí)驗結(jié)果與分析

固溶溫度對TC11鈦合金環(huán)材性能的影響

1)固溶溫度對TC11鈦合金環(huán)材組織的影響。

圖1 為TC11鈦合金環(huán)材經(jīng)過950℃~ 990℃固溶處理+530℃時效處理6 小時后的顯微組織。在不同固溶溫度+ 時效處理后,TC11 環(huán)材顯微組織是由等軸初生α 相和β 轉(zhuǎn)變組織組成,β 轉(zhuǎn)變組織上分布著細(xì)小的針狀和短棒狀次生α 相。隨著固溶溫度由950℃升高到990℃,等軸初生α 相含量逐漸減少,由950℃時的50% 逐漸遞減至990℃時的10%,且初生α 相晶粒尺寸逐漸增大。同時,隨著固溶溫度的升高,針狀次生α 相含量逐漸增加且變得更加細(xì)小彌散。同時,伴隨著部分初生α 相的逐漸溶解,未轉(zhuǎn)變的β 相基體含量的飽和度增大,為次生α 相的析出增大了驅(qū)動力,促使次生α 相的含量逐漸增多且細(xì)小而彌散。

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2)固溶溫度對TC11鈦合金環(huán)材力學(xué)性能的影響。

TC11鈦合金環(huán)材經(jīng)過不同固溶溫度處理后的力學(xué)性能如圖2 所示。

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隨著固溶溫度由950℃升高到990℃,TC11 合金的強(qiáng)度先升高后降低,970℃達(dá)到峰值,塑性先降低后升高,970℃時為低谷,相比強(qiáng)度的變化,塑性變化趨勢較緩。在室溫下,起主要強(qiáng)化作用的是位錯,隨著固溶溫度升高,提供的相變驅(qū)動力促使次生α相的析出,在塑性變形時,彌散的α 相周圍產(chǎn)生的應(yīng)力場阻礙了位錯運(yùn)動,同時α 和β 相的界面產(chǎn)生 彌散強(qiáng)化,使強(qiáng)度大幅提高;隨著固溶溫度950℃升高到970℃,其塑性變化不明顯,斷面收縮率和鍛后伸長率略有降低。隨著固溶溫度升高到980℃,初生α 相含量驟減,且初生α 相長大,導(dǎo)致兩相間相界面較少,對位錯的阻礙作用減弱,從而使強(qiáng)度下降,塑性變化略有提高,由此可知,在970℃固溶時,TC11鈦合金的強(qiáng)韌性匹配最優(yōu)。

冷卻速度對TC11鈦合金環(huán)材性能的影響TC11鈦合金經(jīng)970℃固溶處理后,不同冷卻速度的力學(xué)性能見表2。由表2 可以知,固溶后采用水冷比空冷抗拉強(qiáng)度高260MPa,屈服強(qiáng)度高約220MPa,同時水冷的塑性驟降。圖3 為TC11鈦合金970℃固溶處理后水冷的SEM 組織,由圖3 可知,水冷時,高溫固溶處理時大量的亞穩(wěn)定β 相被固定下來,在隨后的低溫時效過程中,較多的次生α 相從亞穩(wěn)定β 相分解出來,并交叉排列在β 轉(zhuǎn)變基體上。由于冷卻速度快,過冷度大,再結(jié)晶晶粒來不及長大,同時引起了晶格畸變,促使在時效過程中,大量細(xì)小、無方向性的針狀α 相從亞穩(wěn)定β 轉(zhuǎn)變相中析出。這些大量的細(xì)小次生α 相,交錯排列,相界面阻礙了滑移的進(jìn)行,從而使合金變形困難,因此,片狀β轉(zhuǎn)變組織越多,強(qiáng)度越高,塑性越差。

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TC11鈦合金環(huán)材性能均勻性研究為提高合金的使用穩(wěn)定性、性能的穩(wěn)定性,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,TC11鈦合金大型餅材、環(huán)鍛件均是在熱處理狀態(tài)下服役。研究熱處理工藝對TC11鈦合金組織和性能的影響,得出最優(yōu)的熱處理制度為970℃/保溫2hAC+530℃ /6hAC。將文中大規(guī)格環(huán)材φ 830mm/φ 520mm×220mm 按照此熱處理制度整體熱處理后,研究其組織和性能的均勻性。圖4 為TC11 環(huán)材沿壁厚和高度方向不同位置的顯微組織,由圖4 可知,采用多火次換向鐓拔鍛造工藝制備大規(guī)格環(huán)材,環(huán)材在高度方向以及厚度方向的組織均為雙態(tài)組織,且組織均勻分布,等軸初生α 相晶粒尺寸大小均勻分布。對比圖4 和圖1 中(c),均為970℃ / 保溫2hAC+530℃ /6hAC 處理后的組織,發(fā)現(xiàn)圖1(c) 中初生α 相含量比圖4 中少,而次生α相略多于圖4。

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圖5 為TC11鈦合金環(huán)材不同位置的力學(xué)性能,由圖5 可知,該環(huán)材在徑向和厚度方向的力學(xué)性能均勻性良好,抗拉強(qiáng)度Rm 的極差值為15MPa,屈服強(qiáng)度Rp0.2 的極差值為18MPa,斷后伸長率A 的極差值為4.5%,斷面收縮率Z 的極差值為12%。對比圖5和表2,相同固溶時效處理后,試樣熱處理比環(huán)材整體熱處理性能高出約80MPa,塑性變化不大。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,可以通過加快環(huán)材在空氣中冷卻速率而提高其強(qiáng)度。

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三、結(jié)論

1、TC11鈦合金隨著固溶溫度的升高,初生α相含量逐漸減少,且初生α 相晶粒尺寸逐漸增大,次生α 相含量逐漸增多。室溫強(qiáng)度隨著固溶溫度的升高先升高后降低,同時塑性變化幅度不大。

2、隨著冷卻速率的加快,TC11鈦合金強(qiáng)度增大,塑性驟降。

3、 采用多火次鐓拔換向鍛造的TC11 大規(guī)格環(huán)材的組織和力學(xué)性能均勻性良好。在970℃ /2hAC+530℃ /6hAC 固溶時效后,環(huán)材具有穩(wěn)定的強(qiáng)塑性。

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