TC8-1鈦合金大規(guī)格棒材的研制

馮秋元，方 波，陳志勇，馬宏剛，李渭清，張平輝，竇立軍，王清江

(1.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)(2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)(3.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

TC8-1鈦合金大規(guī)格棒材的研制

馮秋元1，方 波2，陳志勇3，馬宏剛1，李渭清1，張平輝1，竇立軍2，王清江3

(1.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721014)(2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)(3.中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016)

為滿足我國航空發(fā)動機(jī)對高溫鈦合金的需求，開展了TC8-1鈦合金鑄錠及其大規(guī)格棒材的研制。結(jié)果表明，研制的φ820 mm TC8-1鈦合金大型鑄錠成分均勻、冶金質(zhì)量良好。制備的φ130～φ200 mm 大規(guī)格棒材的室溫及高溫力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能、持久性能、蠕變性能和顯微組織均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足某型號發(fā)動機(jī)用材需求，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。同時測定了TC8-1鈦合金的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等物理性能數(shù)據(jù)，為該合金的應(yīng)用提供參考。

TC8-1鈦合金；大規(guī)格棒材；顯微組織；力學(xué)性能；物理性能

0 引 言

BT8鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-0.3Si，是一種α+β型馬氏體變形熱強(qiáng)鈦合金[1]，由蘇聯(lián)于1958年研制，并已列入ГOCT和OCT等標(biāo)準(zhǔn)，已工業(yè)化生產(chǎn)[2]。該合金具有良好的熱穩(wěn)定性、持久性能和疲勞性能，使用壽命長，可加工成棒材、鍛件、模鍛件以及其他形式的產(chǎn)品，在各種渦輪發(fā)動機(jī)上獲得了廣泛應(yīng)用。BT8-1鈦合金(名義成分Ti-6.3Al-1.2Sn-1.2Zr-3.2Mo-0.15Si)是20世紀(jì)90年代俄羅斯在BT8鈦合金基礎(chǔ)上研制的高溫鈦合金[3]。該合金的Al當(dāng)量為7.9，Mo當(dāng)量為3.2，其β穩(wěn)定系數(shù)為3，可在450～500 ℃范圍內(nèi)使用，主要用于制造航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片[4-5]。我國于20世紀(jì)60年代就對BT8鈦合金進(jìn)行了實(shí)驗室仿制，并將其列入當(dāng)時的冶金部部頒標(biāo)準(zhǔn)，命名為TC8鈦合金，且已開展了工程化研制[6-11]。

為適應(yīng)我國航空工業(yè)的發(fā)展，滿足飛機(jī)發(fā)動機(jī)對高溫鈦合金的需求，寶鈦集團(tuán)有限公司、中科院金屬研究所等四家單位聯(lián)合，在TC8鈦合金的基礎(chǔ)上共同預(yù)研了TC8系列鈦合金(包括TC8、TC8-1和TC8M-1鈦合金)，并由材料的使用單位制定了預(yù)研棒材的專用技術(shù)指標(biāo)。本研究為該預(yù)研項目的一部分，旨在獲得成分均勻的大型TC8-1鈦合金鑄錠，進(jìn)而獲得能夠滿足預(yù)研專用技術(shù)指標(biāo)要求的大規(guī)格棒材，表征棒材的高低倍組織，室高溫力學(xué)性能、無損探傷結(jié)果及物理性能，為航空發(fā)動機(jī)選材提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗

將海綿鈦、合金添加劑等原料按TC8-1鈦合金名義成分配料，在自動混布料系統(tǒng)上混合均勻，壓制電極塊，組焊，采用真空自耗電弧爐經(jīng)3次熔煉試制出4.5 t的φ820 mm TC8-1鈦合金鑄錠。采用金相法測得鑄錠的相變點(diǎn)。

鑄錠經(jīng)機(jī)加工表面處理后，在側(cè)面頭、上、中、下、底5點(diǎn)取樣，在冒口處橫截面上，按圖1所示的13點(diǎn)取樣，用化學(xué)分析法分析5點(diǎn)的化學(xué)成分及13點(diǎn)的主合金成分。

圖1 TC8-1鈦合金鑄錠橫向取樣位置示意圖Fig.1 Sampling positions of TC8-1 alloy ingot on transverse

鑄錠在寶鈦集團(tuán)10 000 t快鍛機(jī)上經(jīng)β相區(qū)開坯鍛造，再經(jīng)α+β兩相區(qū)鍛造，鍛制φ130、φ165、φ200 mm的棒材。通過合理地增加火次變形量以及采用鐓拔工藝增加總變形量等工藝措施，保證棒材組織均勻性和力學(xué)性能的合理匹配。按照某型號發(fā)動機(jī)用材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在相當(dāng)于鑄錠頭部的φ165 mm TC8-1鈦合金棒材橫截面上取樣觀察高低倍組織，測試物理性能。在相當(dāng)于鑄錠頭、尾的三種規(guī)格棒材橫截面上分別切取厚度不小于20 mm的試樣塊，經(jīng)(920～950) ℃×(1～4) h/AC+(570～600) ℃×1 h/AC熱處理后，測試室、高溫力學(xué)性能。為進(jìn)一步評估TC8-1鈦合金的高溫持久性能，在φ165 mm棒材橫截面上切取試樣塊，經(jīng)熱處理后機(jī)加工成持久性能測試樣，在RC-0930持久試驗機(jī)上，在500 ℃下分別做了應(yīng)力為630、640、650、670、680、700 MPa拉斷試驗，記錄試樣的持久時間。采用該數(shù)據(jù)用Origin軟件繪制該合金500 ℃持久應(yīng)力-壽命曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 TC8-1鈦合金相變點(diǎn)及鑄錠化學(xué)成分

TC8-1鈦合金的相變點(diǎn)為995 ℃。TC8-1鈦合金鑄錠的化學(xué)成分見表1，表中數(shù)據(jù)為鑄錠頭、上、中、下、底5點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值，符合俄羅斯OCT標(biāo)準(zhǔn)要求。5點(diǎn)成分分析表明，鑄錠合金元素含量的最大波動≤0.2%，成分較均勻。

表1 TC8-1鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC8-1 titanium alloy ingot

鑄錠冒口橫截面13點(diǎn)主合金成分的極差如圖2所示。由圖2可知，Al元素最大波動為0.3%，Mo和Sn元素最大波動為0.1%，Si元素最大波動為0.03%，說明鑄錠橫截面上合金成分分布也比較均勻。由此可見所選用的原料，以及混料工藝和熔煉工藝可以有效控制鑄錠中合金組元分布，從而保證鑄錠化學(xué)成分的均勻性，滿足新型航空發(fā)動機(jī)用TC8-1鈦合金鑄錠要求。

2.2 TC8-1鈦合金棒材的組織

圖3為φ165 mm TC8-1鈦合金棒材的低倍組織及顯微組織照片。由圖3a可見，棒材的低倍組織為模糊晶，不存在偏析、夾雜等冶金缺陷，符合GJB 2218A圖1中的2級標(biāo)準(zhǔn)，說明該鍛造坯料在兩相區(qū)獲得了充分變形，且變形比較均勻，為TC8-1鈦合金大規(guī)格棒材組織和性能的均勻性奠定了基礎(chǔ)。由圖3c、d可見，棒材1/2R處和邊部由初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，初生α相等軸化良好，呈典型的鍛造組織形貌。相比之下，棒材心部(圖3b)的初生α相大多呈條狀，部分呈等軸狀，主要是由于鍛造時心部變形量小、變形速度慢而使初生α相球化不充分。

圖2 TC8-1鈦合金鑄錠橫截面上主合金成分的極差Fig.2 Deviation of chemical composition of TC8-1 alloy ingot

圖3 φ165 mm TC8-1鈦合金棒材低倍及顯微組織照片F(xiàn)ig.3 Macrostructure and microstructures of φ165 mm TC8-1 titanium alloy bar

2.3 TC8-1鈦合金棒材的力學(xué)性能

2.3.1 室溫和高溫力學(xué)性能

表2為不同規(guī)格TC8-1鈦合金棒材的室溫和高溫

力學(xué)性能。由表中數(shù)據(jù)可知，不同規(guī)格棒材的力學(xué)性能均達(dá)到或優(yōu)于BT8-1鈦合金的性能水平，并滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明所采用的加工工藝是合適可靠的。

表2 TC8-1鈦合金棒材的室溫和高溫力學(xué)性能Table 2 Room and high-temperature mechanical properties of TC8-1 titanium alloy bars

注：表中數(shù)據(jù)為研制單位測試及用戶復(fù)驗4個數(shù)據(jù)的平均值。

2.3.2 熱穩(wěn)定和持久性能

表3為不同規(guī)格的TC8-1鈦合金棒材的熱穩(wěn)定性能和持久性能測試結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，不同規(guī)格的棒材經(jīng)500 ℃×100 h熱暴露后，其室溫塑性與標(biāo)準(zhǔn)值相比富余量較大，說明棒材具有良好的熱穩(wěn)定性。圖4為φ165 mm TC8-1鈦合金棒材在500 ℃的持久應(yīng)力-壽命曲線。由圖可見，擬合的持久方程為lgσ=2.901 7-0.041 4lgτ，決定系數(shù)為0.75；當(dāng)>應(yīng)力為657 MPa時，TC8-1鈦合金棒材的持久壽命可達(dá)100 h，遠(yuǎn)高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的應(yīng)力為510 MPa時持久壽命大于等于50 h。這表明φ165 mm TC8-1鈦合金棒材具有較好的持久性能。

表3 TC8-1鈦合金棒材的熱穩(wěn)定和持久性能Table 3 Thermal stability and stress rupture properties of TC8-1 titanium alloy bars

注：表中數(shù)據(jù)為研制單位測試及用戶復(fù)驗4個數(shù)據(jù)的平均值。

圖4 φ165 mm TC8-1鈦合金棒材500 ℃持久應(yīng)力-壽命曲線Fig.4 Endurance stress-life curve of φ165 mm TC8-1 titanium alloy bar at 500 ℃

2.3.3 高溫蠕變性能

表4所示為不同規(guī)格的TC8-1鈦合金棒材在500 ℃、250 MPa軸向應(yīng)力作用下，經(jīng)100 h后的高溫蠕變性能測試結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可知，不同規(guī)格的棒材殘余蠕變變形量均小于0.2%，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明TC8-1鈦合金具有良好的高溫蠕變性能。

表4 TC8-1鈦合金棒材的殘余變形(εp/%)Table 4 Residual deformation of TC8-1 titanium alloy bars

注：表中數(shù)據(jù)為研制單位測試及用戶復(fù)驗4個數(shù)據(jù)的平均值。

由棒材的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)及分析可知，TC8-1

鈦合金具有較佳的熱強(qiáng)性與熱穩(wěn)定性的匹配，可用于制作高壓壓氣機(jī)盤、環(huán)形件和前軸等，能夠滿足新型航空發(fā)動機(jī)用材需求。

2.4 TC8-1鈦合金棒材的無損檢測

采用接觸法測得φ130 mm和φ165 mm TC8-1鈦合金棒材的雜波水平為φ1.2-9 dB，滿足GB/T 5193—2007標(biāo)準(zhǔn)中的A1級質(zhì)量要求；φ200 mm棒材的超聲波探傷結(jié)果為半聲程雜波水平φ1.2-12 dB。超聲波探傷結(jié)果表明，不同規(guī)格的TC8-1鈦合金棒材的組織均勻性和冶金質(zhì)量良好。

2.5 TC8-1鈦合金棒材的物理性能

TC8-1鈦合金的密度為4.436 g/cm3。表5～7為TC8-1鈦合金在不同溫度下的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散率和彈性性能測試結(jié)果。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，TC8-1鈦合金的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱容隨溫度升高逐漸增大，而彈性模量和切變模量則隨溫度升高逐漸減小。

表5 TC8-1鈦合金不同溫度的線膨脹系數(shù)Table 5 Linear expansibility of TC8-1 titanium alloy at different temperatures

注：400 ℃以下數(shù)據(jù)僅供參考；基準(zhǔn)溫度為21.0 ℃；升溫速率為3 ℃/min。

表6 TC8-1鈦合金不同溫度的熱導(dǎo)率、比熱容和熱擴(kuò)散率Table 6 Heat conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity of TC8-1 titanium alloy at different temperatures

表7 TC8-1鈦合金不同溫度的彈性性能Table 7 Elastic property of TC8-1 titanium alloy at different temperatures

注：升溫速率為3～5 ℃/min；測試氣氛為高真空。

3 結(jié) 論

(1)采用真空自耗電弧3次熔煉在國內(nèi)首次研制出化學(xué)成分滿足OCT標(biāo)準(zhǔn)要求的φ820 mm TC8-1鈦合金鑄錠，且鑄錠各部位化學(xué)成分均勻，冶金質(zhì)量良好。

(2)通過多火次鍛造工藝和合適的熱處理制度，試制出φ130～φ200 mm的TC8-1鈦合金棒材。

(3)試制的TC8-1鈦合金棒材的顯微組織及室溫、高溫力學(xué)性能均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并達(dá)到或優(yōu)于BT8-1鈦合金性能水平。

(4)TC8-1鈦合金的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱容隨溫度升高呈增大趨勢，而彈性模量和切變模量則隨溫度升高呈下降趨勢。

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2014年中國鈦、鋯產(chǎn)品進(jìn)出口統(tǒng)計

(郭薇供稿)

Preparation of TC8-1 Titanium Alloy Large-sized Bars

Feng Qiuyuan1, Fang Bo2, Chen Zhiyong3, Ma Honggang1, Li Weiqing1, Zhang Pinghui1, Dou Lijun2, Wang Qingjiang3

In order to meet the need for high temperature titanium alloy used in aero-engine, the research on TC8-1titanium alloy ingot and its large-sized bars had been carried out. The results show that the ingredients of large ingot are uniform and the ingot has good metallurgic quality. The properties of large-sized bars, such as room and high temperature mechanical properties, thermal stability, stress rupture properties, creep properties and microstructure can meet the requirements of technical standards and material need for engine. This investigation fills up the blank in China. Meanwhile, in order to provide a reference for the application of this alloy, the data of physical performance of TC8-1 titanium alloy, such as the coefficient of linear expansion, thermal conductivity and so on are also provided.

TC8-1 titanium alloy; large-sized bar; microstructure; mechanical properties; physical performance

2014-04-28

馮秋元(1974—)，男，高級工程師。

(1.Baoti Group Co., Ltd.,Baoji 721014, China)(2.AVIC Shenyang Liming Aeroengine (Group) Co., Ltd., Shenyang 110000, China)(3.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)