鍛造工藝對(duì)TA11鈦合金棒材的性能改變研究

供稿|段曉輝，李渭清，李峰麗，李巍，岳旭，張偉，宋蕊池 / DUAN Xiao-hui, LI Wei-qing, LI Feng-li, LI Wei,YUE Xu, ZHANG Wei, SONG Rui-chi

TA11鈦合金(Ti-8Al-1Mo-1V)，是一種近α型耐熱鈦合金。它具有較高的室溫高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和高溫蠕變性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、1～3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片等高速旋轉(zhuǎn)部件[1,2]。這些構(gòu)件，長(zhǎng)期在苛刻工作環(huán)境下使用，必須要具有良好的室溫高溫力學(xué)性能，尤其要具備較高的熱穩(wěn)定性和高溫蠕變性能，因?yàn)檫@些性能不僅決定了合金的使用壽命更決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性[3]，所以，對(duì)TA11合金材料的組織和性能關(guān)系的研究是十分必要的。

本文探討了鍛造工藝對(duì)TA11鈦合金棒材顯微組織及其力學(xué)性能的影響，對(duì)比分析了三種鍛造工藝的顯微組織、力學(xué)性能以及超聲波探傷水平，為TA11鈦合金棒材的工業(yè)生產(chǎn)及工藝改進(jìn)提供理論參考和依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)用材及方法

實(shí)驗(yàn)用材

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，我們選用了經(jīng)真空自耗電弧爐三次熔煉而成的TA11鈦合金鑄錠(φ720 mm)，名義成分為Ti-8Al-1Mo-1V，經(jīng)金相法測(cè)得(α+β)/β相變溫度為1030～1040℃。鑄錠經(jīng)β相區(qū)多火次鍛造和α+β兩相區(qū)多火次鍛造至φ70 mm棒坯，其顯微組織如圖1所示，為不均勻β基體上分布著初生α相，初生α含量約在80%左右，邊部組織與心部組織差異較大，邊部為等軸加板條組織，心部為等軸組織，組織均勻性較差。

圖1 φ70 mm棒坯高倍組織(R態(tài))

實(shí)驗(yàn)方法

利用Sxp-13精鍛機(jī)，將φ70 mm棒坯在三種鍛造工藝下(見表1)，多道次鍛造后，機(jī)加得到φ40 mm成品棒材。切取高倍試樣，經(jīng)磨制拋光后采用HF、HNO3、H2O混合液進(jìn)行腐蝕，在OLYMPUS GX71型金相顯微鏡上觀察顯微組織。拉伸實(shí)驗(yàn)在德國(guó)的Zwick萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，蠕變性能在SANSGWT105高溫蠕變持久實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。三批棒材參照GJB494—88標(biāo)準(zhǔn)要求，使用USD155型探傷儀，5Pφ38 mm探頭，采用水浸法進(jìn)行超聲波無損檢測(cè)。

表1 鍛造工藝

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

顯微組織分析

經(jīng)三種工藝鍛造后，我們可以清楚地看到鍛造溫度對(duì)TA11鈦合金棒材顯微組織的影響比較明顯，詳見圖2。經(jīng)工藝A鍛造后，棒坯中的板條α基本轉(zhuǎn)化為等軸組織，但仍存在較多分布不均勻的長(zhǎng)條α。初生α含量在80%左右，β基體上分布有少量的顆粒狀次生α。棒材邊部與心部的組織差異性較棒坯有所改善。經(jīng)工藝B鍛造后，組織已基本等軸化，約占50%左右的初生α均勻的分布在β基體上，次生α相增多，且形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植咳右恢碌募?xì)針狀，組織均勻性好，詳見圖2(b1)和(b2)。經(jīng)工藝C鍛造后，棒材組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷碾p態(tài)組織，約占20%左右的顆粒狀初生α均勻的分布在β基體上，析出的細(xì)針狀次生α顯著增加，邊部與心部組織一致性好，組織均勻性高，詳見圖2(c1)和(c2)。

綜上所述，棒材組織的性能與鍛造溫度呈正相關(guān)關(guān)系。鍛造溫度較低時(shí)，鍛造過程中棒材變形抗力較大，鍛透性差，棒坯組織得不到充分的變形，原坯料組織中的長(zhǎng)條α不能完全被破碎和等軸化，鍛后棒材組織不均勻。而且溫度較低時(shí)，棒坯中的α在加熱階段溶解較少，造成鍛后組織初生α含量高，初生α形態(tài)以短棒狀或大塊狀為主，β基體上分布的次生α析出較少。隨著鍛造溫度的升高，棒材鍛透性變好，棒材組織得到充分變形后均勻性顯著提高。對(duì)比圖1和圖2就可發(fā)現(xiàn)，原坯料中的板條組織被完全破碎并轉(zhuǎn)化為等軸組織或雙態(tài)組織。同時(shí)，由于溫度高，在加熱階段棒坯組織中α向β的相轉(zhuǎn)變更易發(fā)生，使得鍛后初生α的含量顯著減少，β相含量明顯增加。在回復(fù)再結(jié)晶過程中析出的局部取向一致分布的細(xì)針狀次生α也明顯增多。

由此，我們對(duì)TA11試樣進(jìn)行熱處理，圖3即為經(jīng)(900～925℃/保溫1h·AC)+(565～595℃/保溫8h·AC)熱處理后三種工藝的顯微組織圖片。

對(duì)比圖2和圖3可以看到，在上述熱處理制度下對(duì)TA11試樣進(jìn)行固溶時(shí)效后，其顯微組織與對(duì)應(yīng)的鍛態(tài)顯微組織區(qū)別不明顯，初生α含量與形態(tài)均與鍛態(tài)組織相似，β基體上分布的次生α含量及形態(tài)也基本無變化。這說明TA11鈦合金在遠(yuǎn)離相變點(diǎn)溫度固溶時(shí)效時(shí)，顯微組織構(gòu)成與形態(tài)變化較小。

圖2 TA11鈦合金棒材不同部位的鍛態(tài)顯微組織

力學(xué)性能分析

對(duì)每批TA11鈦合金棒材分別任取四支樣棒，在樣棒上切取試樣后，經(jīng)(900～925℃/保溫1h·AC)+(565～595℃/保溫8h·AC)熱處理，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，詳見表2。

圖3 TA11鈦合金棒材退火態(tài)顯微組織

表2 TA11鈦合金棒材的力學(xué)性能

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析我們可以看到，三種工藝下TA11鈦合金棒材的室溫拉伸性能差異較小，強(qiáng)度區(qū)別不大，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因等軸組織和雙態(tài)組織的TA11鈦合金棒材均具有良好的熱穩(wěn)定性[4]，所以經(jīng)400℃，100 h熱暴露后的熱穩(wěn)定性能也差異較小，但A工藝的蠕變性能大于0.2%，不滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。而工藝B和C蠕變性能均小于0.2%，可滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，且工藝C表現(xiàn)出更好的高溫蠕變性能。結(jié)合圖2和圖3分析認(rèn)為，TA11鈦合金棒材鍛后組織中初生α和次生α的相對(duì)含量，以及次生α的形態(tài)對(duì)其蠕變性能有較大的影響。初生α含量較低時(shí)蠕變性能優(yōu)于初生α含量較高時(shí)，分布在β基體上的次生α呈局部取向一致的細(xì)針狀時(shí)蠕變性能更好。這是因?yàn)?，顯微組織中的條狀α相比等軸α的抗蠕變能力較好。在緩慢的蠕變過程中，等軸組織的滑移變形是從個(gè)別α晶粒中開始的，隨著應(yīng)變量增加，滑移占據(jù)較多的α晶粒后向周圍的β晶粒擴(kuò)展，所以蠕變空洞形核較遲，但一旦形成空洞，即可迅速擴(kuò)展而形成準(zhǔn)解理斷裂[3]。而雙態(tài)組織中混亂交織分布的細(xì)針狀次生α，則對(duì)蠕變滑移起到了較好的阻礙作用，即使空洞已經(jīng)形成其擴(kuò)展也較困難，因而較等軸組織表現(xiàn)出更好的抗蠕變性能。

超聲波探傷特性

探傷雜波的產(chǎn)生來源于組織對(duì)聲波的散射，所以雜波水平是合金組織不均勻性的反應(yīng)[5，6]。從三批實(shí)驗(yàn)材料的超聲波檢測(cè)結(jié)果(詳見表3)可以看出，工藝A的探傷雜波水平高于工藝B與C，說明其組織的均勻性較B、C差。這從圖2也可以看出來，A的組織中存在長(zhǎng)條或大塊α，且邊部與心部的組織存在一定差異。

表3 雜波水平檢測(cè)結(jié)果

而通過工藝C得到的棒材在超聲檢測(cè)時(shí)雜波水平在φ0.8-12dB，完全可滿足葉片用TA11鈦合金棒材的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。這也表明了提升TA11鈦合金棒材的鍛造溫度，減小變形抗力增加棒材的鍛透性，可有效提高其組織均勻性，提高其探傷水平。

結(jié)論

通過三種鍛造工藝試驗(yàn)，綜合比較分析不同工藝下TA11鈦合金棒材在顯微組織、力學(xué)性能以及超聲波探傷水平上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們得出了以下結(jié)論：

1) 鍛造溫度對(duì)TA11鈦合金棒材顯微組織影響比較明顯，溫度較低時(shí)，棒材組織中初生α含量較高，析出次生α相較少；適當(dāng)提高鍛造溫度后，初生α含量顯著降低，析出細(xì)針狀次生α相增加。

2) 初生α含量和分布于β基體上的次生α形態(tài)對(duì)蠕變性能有較大影響， 較少的初生α加細(xì)針狀次生α組織可得到良好的抗蠕變性能。

3) 鍛造溫度升高，增加了TA11鈦合金棒材的鍛透性，長(zhǎng)條或大塊α被完全破碎后組織更加均勻，從而提高了超聲波探傷水平。

[1] 朱康英，趙永慶，李佐臣，等. Ti811合金在不同溫度和時(shí)間下的蠕變性能. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1998, 8(增刊2)： 76-79.

[2] 陶春虎，劉慶泉，曹春曉，等. 航空用鈦合金的失效及預(yù)防. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[3] 王敏敏，趙永慶，周廉. 影響鈦合金蠕變行為的因素分析. 稀有金屬材料與工程，2002, 31(2)： 135-139.

[4] 趙永慶，朱康英，李佐臣，等. Ti811合金的熱穩(wěn)定性能. 稀有金屬材料與工程，1997, 26(3)： 35-39.

[5] 趙愛國(guó)，史亦偉，張衛(wèi)方，等. TA11鈦合金棒材特性對(duì)比研究.材料工程，2003 (增刊)： 184-186.

[6] 馬小懷，張延生，劉京州. 鈦合金超聲波檢測(cè)中雜波產(chǎn)生原因分析. 稀有金屬材料與工程，2005, 34(S3)： 677-679.