WSTi3515S阻燃鈦合金的工程化制備及力學(xué)性能研究

賴運(yùn)金，張 維，王曉亮，馬凡蛟1,，辛社偉，王凱旋，張豐收

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)(2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)(3.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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WSTi3515S阻燃鈦合金的工程化制備及力學(xué)性能研究

賴運(yùn)金1，2，張 維2，王曉亮2，馬凡蛟1,2，辛社偉3，王凱旋2，張豐收2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)(2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)(3.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

WSTi3515S合金作為一種新型阻燃鈦合金，關(guān)于其工程化應(yīng)用的研究剛剛開始。對(duì)比分析了由西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司生產(chǎn)的WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材以及55 mm×270 mm×1 200 mm板坯不同方向的顯微組織、室溫及高溫性能等。結(jié)果表明：WSTi3515S阻燃鈦合金的可探性好，具有1 000 MPa級(jí)的室溫強(qiáng)度，且540 ℃高溫拉伸、高溫蠕變、高溫持久以及熱穩(wěn)定性等性能良好，均可滿足工程化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的要求。

阻燃鈦合金；WSTi3515S合金；棒材；板坯；力學(xué)性能

0 引 言

由于鈦能夠溶解自己的氧化物，因此，與鋁不同，液態(tài)的鈦不能通過形成氧化膜來保護(hù)自己。當(dāng)鈦或鈦合金被加熱到某一較高溫度時(shí)，會(huì)在高溫氣流中燃燒并快速氧化，在很短的時(shí)間內(nèi)完全燃盡[1]。但是發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高又離不開鈦合金材料，因此，阻燃鈦合金的研究及應(yīng)用變得越來越迫切。阻燃鈦合金是指在一定溫度、壓力和空氣流速下能夠抗燃燒的鈦合金。20世紀(jì)90年代以來，美國、英國、俄羅斯、中國等國家均積極開展了阻燃鈦合金的基礎(chǔ)研究及工程化工作[2-3]。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道表明：目前美國和英國已達(dá)到相對(duì)成熟的應(yīng)用階段[4]。美國F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)上則采用了Pratt Whitney和Teledyne Wah Chang Albany公司聯(lián)合開發(fā)的Alloy C(Ti1270)阻燃鈦合金，該合金是世界上第1個(gè)真正意義上的阻燃鈦合金(其基礎(chǔ)研究始于1966年)，主要被用于高壓壓氣機(jī)4級(jí)、5級(jí)可調(diào)靜子內(nèi)環(huán)，高壓壓氣機(jī)5級(jí)可調(diào)靜子葉片，噴口收斂調(diào)節(jié)片，噴口外部調(diào)節(jié)片和加力燃燒室筒體等[5-8]。

WSTi3515S合金(Ti-35V-15Cr-xSi-yC)是西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司聯(lián)合西北有色金屬研究院、西北工業(yè)大學(xué)等單位于2010年在Alloy C(Ti-35V-15Cr)、Alloy C+(Ti-35V-15Cr-0.6Si-0.05C)和Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)合金的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整V、Si、C元素含量而研制成功的一種新型高合金化β型阻燃鈦合金[9]。與Alloy C系列合金[5,10-11]、Ti40合金[1,12-13]和Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金[5,14]等Ti-V-Cr系阻燃鈦合金相似，WSTi3515S合金具有良好的室溫及高溫拉伸、蠕變和斷裂韌性等綜合性能[3-4]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，關(guān)于Ti40合金(TB12)[4,15-17]、Alloy C系列合金(Tiadyne3515或Ti1270)[5-7]以及Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C合金[5,14]的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較多，而WSTi3515S合金因發(fā)明較晚[4,9,18]，工程化應(yīng)用的研究工作剛剛起步，對(duì)其組織、性能等方面的系統(tǒng)研究尚未報(bào)道。本研究則是首次對(duì)WSTi3515S合金大規(guī)格棒材和板坯的組織、室溫和高溫性能等進(jìn)行對(duì)比分析，期望對(duì)我國阻燃鈦合金的發(fā)展和工程化應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司通過真空自耗電弧爐制備的國內(nèi)首批WSTi3515S合金3 t級(jí)、φ640 mm大型鑄錠，外觀照片如圖1所示。

圖1 WSTi3515S合金3 t級(jí)鑄錠

在鑄錠頭部和底部橫截面切片，采用X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)(X-Ray Real-Time Imaging System)對(duì)切片進(jìn)行掃描檢測(cè)，以評(píng)判鑄錠橫向成分的宏觀均勻性。按照?qǐng)D2中所示的取樣位置在鑄錠頭部和底部切片上取樣，測(cè)試其化學(xué)成分。

圖2 鑄錠橫截面化學(xué)成分取樣位置示意圖

采用北方重工360 MN擠壓機(jī)對(duì)WSTi3515S合金3 t級(jí)、φ640 mm大型鑄錠進(jìn)行熱擠壓開坯，開坯后根據(jù)棒材和板坯的目標(biāo)尺寸(質(zhì)量)進(jìn)行分料，再分別采用包套鍛造的方法對(duì)各坯料在45 MN快鍛機(jī)上進(jìn)行多火次鐓拔鍛造，最后鍛造成φ300 mm的大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm的板坯，棒材與板坯的宏觀照片和低倍組織分別如圖3和圖4所示。采用接觸法對(duì)WSTi3515S合金大規(guī)格棒材和板坯分別進(jìn)行100%超聲波無損探傷。

圖4 WSTi3515S合金55 mm×270 mm×1 200 mm板坯的外觀照片及低倍組織

對(duì)WSTi3515S合金大規(guī)格棒材和板坯的樣品進(jìn)行(870±10) ℃×2 h/AC熱處理后，取標(biāo)準(zhǔn)試樣分別進(jìn)行橫、縱向的室溫拉伸、室溫沖擊、高溫拉伸(540 ℃)、高溫蠕變(540 ℃，100 h，250 MPa)、高溫持久(540 ℃，300 MPa)、熱穩(wěn)定性(540 ℃，100 h)等性能測(cè)試，每個(gè)位置重復(fù)測(cè)試2個(gè)樣本，取平均值。采用LEICA MEF4A倒立金相顯微鏡觀察棒材和板坯的顯微組織并拍攝金相照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 大型鑄錠的成分均勻性

圖5為WSTi3515S合金3 t級(jí)、φ640 mm大型鑄錠橫截面切片的X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)(XRI)照片。從圖5可以看出，該鑄錠橫截面切片的XRI照片色差均勻，未發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，說明其橫向成分均勻性較好。

圖5 WSTi3515S合金3 t級(jí)、φ640 mm鑄錠的XRI照片

按照?qǐng)D2中所示的橫向九點(diǎn)位置取樣后，測(cè)試得到的結(jié)果表明：鑄錠頭部及底部的化學(xué)成分均勻性良好，其中，主元素V和Cr在鑄錠頭部和底部不同位置的分布情況如圖6所示。

圖6 WSTi3515S合金φ640 mm鑄錠中V元素和Cr元素的分布情況

從圖6可以看出，散點(diǎn)的分布基本處于同一水平線上，并且同一元素頭部和底部含量大部分出現(xiàn)重疊，說明鑄錠成分橫向九點(diǎn)分布均勻。辛社偉等人[19-20]的研究表明：V元素和Cr元素的含量及均勻性對(duì)阻燃鈦合金的性能有直接影響，尤其是對(duì)阻燃性和熱強(qiáng)性。

2.2 大規(guī)格棒材及板坯的無損探傷結(jié)果

WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯的100%超聲波無損探傷結(jié)果分別為：φ2.0-(10～12) dB和φ0.8-(12～14) dB，這表明無論是棒材還是板坯，WSTi3515S合金的可探性均優(yōu)于Ti40合金[4]。其原因主要是WSTi3515S合金中含有C元素，有利于鑄態(tài)組織的細(xì)化和破碎。

2.3 室溫沖擊、高溫蠕變及高溫持久性能

表1為WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯的室溫沖擊、高溫蠕變及高溫持久性能。

表1 WSTi3515S合金棒材和板坯的室溫沖擊、高溫蠕變及高溫持久性能

從表1中的性能數(shù)據(jù)可以看出，僅從棒材或板坯單個(gè)坯料來看，室溫沖擊性能Aku的橫、縱向差異很小，說明棒材和板坯的組織均勻性均較好，不同方向差異小，但是將兩者進(jìn)行對(duì)比，其沖擊性能相差幅度超過30%，這說明WSTi3515S合金的室溫沖擊性能受變形方式的影響較大。

鈦合金的微觀組織是力學(xué)性能綜合特征的反映[21]，圖7為WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯的顯微組織。結(jié)合圖7不難發(fā)現(xiàn)，造成WSTi3515S合金室溫沖擊性能差異大的原因主要有兩個(gè)：①棒材變形火次較多，總體變形量較大，組織的細(xì)化程度更高，晶界數(shù)量增加，且由于WSTi3515S合金為單相鈦合金，晶界強(qiáng)化效應(yīng)會(huì)使室溫強(qiáng)度顯著增加，而強(qiáng)度的增加將直接導(dǎo)致沖擊韌性下降；②由于變形方式不同，板坯橫、縱向組織中均或多或少存在一些織構(gòu)(其方向性受變形過程中金屬流動(dòng)方向的影響)，有利于沖擊韌性的提高，而對(duì)棒材而言，尤其是經(jīng)過多火次鐓拔的大規(guī)格棒材基本不存在織構(gòu)，這使得其沖擊韌性不如板坯，尤其是橫向沖擊韌性更差。受研究內(nèi)容的限制，本研究中未對(duì)織構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究，但從后文中室溫強(qiáng)度和塑形出現(xiàn)的橫、縱向差異規(guī)律可側(cè)面驗(yàn)證此觀點(diǎn)。

圖7 WSTi3515S合金棒材和板坯的顯微組織

從表1中WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯在540 ℃，100 h，250 MPa條件下的高溫蠕變性能數(shù)據(jù)可以看出，兩者的蠕變伸長率Af處于同一數(shù)量級(jí)，且數(shù)值上反映的微小差異也屬于實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差范疇，并且橫、縱向數(shù)據(jù)非常相近，說明WSTi3515S合金的蠕變性能主要受化學(xué)成分的影響，與組織和變形方式關(guān)系不大，這與其他單相鈦合金的蠕變特性相符。表1中還列出了WSTi3515S合金大規(guī)格棒材和板坯在540 ℃，300 MPa條件下的高溫持久性能數(shù)據(jù)，因標(biāo)準(zhǔn)Q/WST 5205—2012中要求時(shí)間大于100 h后停止試驗(yàn)，所以無法比較最終拉斷時(shí)間，但所測(cè)試的橫、縱向4組數(shù)據(jù)均達(dá)到了101 h未斷，說明該合金在540 ℃，300 MPa下具有較好的高溫持久性能。吳歡等人[22]的研究結(jié)果表明：Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的高溫氧化行為受合金成分和顯微組織的共同影響。

2.4 室溫、高溫力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性

圖8為WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯橫、縱向室溫力學(xué)性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)柱狀圖。從圖8可以看出，WSTi3515S合金大規(guī)格棒材和板坯在室溫下均具有1 000 MPa級(jí)的強(qiáng)度，尤其是φ300 mm大規(guī)格棒材，其室溫強(qiáng)度平均值可達(dá)1 030 MPa，屬于高強(qiáng)阻燃鈦合金，而美國同系列的阻燃鈦合金Alloy C也被歸為高強(qiáng)阻燃鈦合金[10]。從圖8還可以看出，棒材的強(qiáng)度和塑性均優(yōu)于板坯(橫向延伸率A例外，基本相當(dāng))。這是由于組織決定性能，棒材的顯微組織明顯比板坯的細(xì)小(如圖7)，棒材強(qiáng)度的提高主要源于細(xì)晶強(qiáng)化，且細(xì)晶強(qiáng)化不會(huì)降低塑性，這一規(guī)律在單相金屬中較為普遍。該理論也解釋了為什么具有粗大晶粒的阻燃鈦合金鑄錠無法采用常規(guī)的鍛造方法開坯，而鑄態(tài)組織經(jīng)過擠壓開坯細(xì)化以后可鍛性會(huì)得到顯著改善。單從板坯的橫、縱向室溫拉伸性能來看，橫向強(qiáng)度和塑性均略微優(yōu)于縱向，而棒材卻恰恰相反(這是因?yàn)榘迮骱桶舨脑跓嶙冃芜^程中金屬的主流動(dòng)方向不同)，但是無論是棒材還是板坯，其橫、縱向性能差異相對(duì)值均未超過5%，說明棒材和板坯的橫、縱向組織均勻性均較好、方向性小。

圖8 WSTi3515S合金的室溫力學(xué)性能

圖9為WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯在540 ℃下的橫、縱向高溫力學(xué)性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)柱狀圖。

圖9 WSTi3515S合金540 ℃高溫力學(xué)性能

從圖9可以看出，WSTi3515S合金的高溫力學(xué)性能非常穩(wěn)定，棒材和板坯的高溫拉伸強(qiáng)度和塑性幾乎一樣，只是在方向性上略有差異，縱向延伸率A和斷面收縮率Z均略微高一些，但是差距不大，并且這一規(guī)律在棒材和板坯上均符合。這說明在540 ℃高溫狀態(tài)下，化學(xué)成分本身對(duì)WSTi3515S合金的高溫強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，同時(shí)還反映出其高溫變形機(jī)制與室溫變形機(jī)制有著本質(zhì)的區(qū)別。

圖10為WSTi3515S合金φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯在540 ℃下熱暴露100 h后的拉伸性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)柱狀圖。

圖10 WSTi3515S合金540 ℃熱暴露100 h后的拉伸性能

從圖10可以看出，WSTi3515S合金的熱穩(wěn)定性比較一致，棒材和板坯熱暴露后的橫、縱向強(qiáng)度相當(dāng)，且與熱暴露前的室溫強(qiáng)度相比，差異不大，穩(wěn)定性較好，但塑性下降比較明顯。對(duì)于高強(qiáng)鈦合金來說，其熱穩(wěn)定性與標(biāo)準(zhǔn)Q/WST 5205—2012(Ti40阻燃鈦合金板坯技術(shù)規(guī)范)要求相比還是具有較大富裕量的。趙永慶等在文獻(xiàn)[23]中闡述了Ti-V-Cr系阻燃鈦合金熱暴露后塑性急劇下降的主要原因是晶界處α相的析出和長大導(dǎo)致晶界弱化，產(chǎn)生了沿晶斷裂。

3 結(jié) 論

(1)目前國內(nèi)已具備生產(chǎn)WSTi3515S合金3 t級(jí)大型鑄錠、φ300 mm大規(guī)格棒材和55 mm×270 mm×1 200 mm板坯的能力。

(2)制備的WSTi3515S合金棒材和板坯可探性好，具有1 000 MPa級(jí)的室溫強(qiáng)度，在540 ℃下的高溫拉伸、高溫蠕變、高溫持久以及熱穩(wěn)定性等性能均可滿足工程化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求。

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國內(nèi)外新聞

中航卓越鍛造(無錫)有限公司成功研制出特大型鈦合金異形環(huán)

2015年9月20日，中航卓越鍛造(無錫)有限公司(以下簡稱中航卓越)成功鍛造-軋制出特大型鈦合金閥體(見圖1)。該鈦合金閥體外徑尺寸大，桶深，且內(nèi)外環(huán)均為異形，采用鍛造-軋制的方法生產(chǎn)難度很大。據(jù)了解，目前單件質(zhì)量在4 t以上的特大型鈦合金閥體，均采用鑄造成形工藝生產(chǎn)。該產(chǎn)品的成功研制，填補(bǔ)了我國此類特大型鈦合金高筒異形環(huán)件鍛造-軋制成形技術(shù)的空白。

圖1 特大型鈦合金閥體

鈦合金產(chǎn)品廣泛用于航空航天、石化、冶金、電力、醫(yī)藥衛(wèi)生、儀器儀表等行業(yè)。中航卓越承接的大型鈦合金異形環(huán)用于石化行業(yè)。該公司以持續(xù)滿足客戶需求為宗旨，經(jīng)過技術(shù)、生產(chǎn)、營銷團(tuán)隊(duì)的多次研討，利用有限元仿真模擬對(duì)中間坯料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加對(duì)中間坯料的預(yù)成型工藝，使坯料分料更加合理，從而更利于鍛件的填充成型，也最大限度地節(jié)約用料。同時(shí)，工藝設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到將鍛件毛坯的形狀尺寸與鍛件成品截面盡可能保持一致或相近，保證鍛件金屬流線合理，使零件使用性能得到更大程度的提高，最終確定通過采用內(nèi)外異形一體成形技術(shù)，制造出外徑2 203 mm，內(nèi)徑1 690 mm，高810 mm，質(zhì)量為4.7 t的特大型鈦合金異形環(huán)。

特大型鈦合金閥體的成功研制，標(biāo)志著中航卓越作為一家國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，在其轉(zhuǎn)型升級(jí)之路再上新臺(tái)階，高端領(lǐng)域市場占有范圍再次突破，有效提升了市場競爭力。

(本刊通訊員)

Industrial Manufacturing and Mechanical Properties of WSTi3515S Burn-resistant Titanium Alloy

Lai Yunjin1,2, Zhang Wei2, Wang Xiaoliang2, Ma Fanjiao1,2, Xin Shewei3, Wang Kaixuan2, Zhang Fengshou2

(1. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) (2. Western Superconducting Technologies Co. ,Ltd. , Xi’an 710018, China) (3. Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

As a new burn-resistant titanium alloy, research of engineering application on WSTi3515S alloy was just beginning. In this research, the comparative analysis method had been applied to study the microstructure and properties in different directions ofφ300 mm large-sized bar and 55 mm×270 mm×1 200 mm slab at room temperature and high temperature on WSTi3515S alloy, which produced by Western Superconducting Technologies Co. , Ltd.The results show that WSTi3515S alloy has good ultrasonic flaw detection capability, high temperature tensile property, high temperature creep property, high temperature lasting property and thermal stability property, with room-temperature strength 1 000 MPa level, and can meet the requirements of the engineering applications standard.

burn-resistant titanium alloy；WSTi3515S alloy；bar；slab；mechanical properties

2015-09-21

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFB50180)；國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFR50090)；陜西省科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2015KTTSG01-08)；陜西省重大科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目(2015KTCG01-11)

賴運(yùn)金(1979—)，男，博士生，高級(jí)工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2015)06-0013-06