β退火對Ti-6Al-4V ELI民用飛機(jī)大型模鍛件組織和性能的影響

黃立軍　高　蕾　羅恒軍　曾　菁　莫安軍

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

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試驗(yàn)研究

β退火對Ti-6Al-4V ELI民用飛機(jī)大型模鍛件組織和性能的影響

黃立軍高蕾羅恒軍曾菁莫安軍

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

摘要：采用Ti-6Al-4V ELI大規(guī)格棒料，經(jīng)多次制坯、多次鍛造試制了某民用飛機(jī)用大型接頭模鍛件。該鍛件經(jīng)β退火得到了均一的魏氏組織，晶內(nèi)片層組織較細(xì)小，力學(xué)性能較好。

關(guān)鍵詞：Ti-6Al-4V ELI；大型模鍛件；β退火；組織；力學(xué)性能

鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐熱、耐低溫、抗腐蝕性能好、導(dǎo)熱系數(shù)小、無磁性、超導(dǎo)性能、記憶性能、貯氫性能等優(yōu)點(diǎn)，被稱為繼鋼鐵、鋁之后的21世紀(jì)最有發(fā)展前景的第三金屬[1]。

Ti-6A1-4V(TC4)合金作為世界第一個實(shí)用性鈦合金，自1954年被美國研制成功以來，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為鈦合金中使用最廣泛、最成熟的兩相合金，其合金用量占鈦材用量的80%[2]。現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量、提高性能和節(jié)約成本等目的，在滿足安全使用的前提下，引入了“損傷容限”的設(shè)計(jì)[3]。Ti-6Al-4V ELI即損傷容限型的Ti-6Al-4V，該材質(zhì)在美國已廣泛應(yīng)用于軍用和民用飛機(jī)，國內(nèi)類似牌號TC4-DT，后者是我國在“十五”期間由西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院研制，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，其化學(xué)成分、力學(xué)性能與Ti-6Al-4V ELI相當(dāng)[3-5]。

目前，Ti-6Al-4V ELI(TC4-DT)在我國軍用航空領(lǐng)域上應(yīng)用較多，在民用航空領(lǐng)域尤其是大型鍛件上的應(yīng)用少見報(bào)道。本文從工廠實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，以某型民用飛機(jī)用大型接頭模鍛件(簡稱鍛件)為試制對象，該鍛件輪廓尺寸3 065 mm×525 mm×228 mm，截面形狀較復(fù)雜，有效厚度達(dá)165 mm，研究了β退火對其組織和性能的影響。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

原材料采用西部超導(dǎo)公司按美標(biāo)生產(chǎn)的?450 mm大規(guī)格棒料，該棒料經(jīng)過三次VAR同時經(jīng)開坯、墩拔、加工后得到，其化學(xué)成分以及相變點(diǎn)見表1。

表1　TI-6AL-4V ELI棒材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及相變點(diǎn)Table 1　Chemical composition of Ti-6Al-4V ELI bar(mass fraction,%)and its phase transformation point

棒料的原始組織如圖1所示，為典型的雙態(tài)組織，分布有大小不一的等軸α相，并伴有部分拉長α相，從棒料邊緣到棒材中心，α相含量由約60%逐漸增多至約80%，總體較均勻。

1.2試驗(yàn)過程

(a)棒料邊緣　　　　　　(b)棒料1/2半徑　　　　　　　(c)棒料中心

圖2　TI-6AL-4V ELI鍛件Figure 2　Ti-6Al-4V ELI forging

表2　TI-6AL-4V ELI鍛件熱處理制度Table 2　The heat treatment process of Ti-6Al-4V ELI forging

棒料經(jīng)鋸床下料、自由錘鍛多次制坯、模鍛壓機(jī)多次鍛造得到最終鍛件(見圖2)，隨后采用箱式電阻爐對鍛件進(jìn)行β退火(熱處理制度見表2)，最后切取鍛件進(jìn)行組織和性能檢驗(yàn)。

1.3試驗(yàn)方法

氫含量測試在RH600定氫分析儀上進(jìn)行。采用?6 mm的試樣，在INSTRON 8802、MTS CMT5305型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。斷裂韌性試驗(yàn)在INSTRON 8803材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。用DMI5000M Leica光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，金相腐蝕劑：5%HF+12%HNO3+83%H2O。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1氫含量檢測

經(jīng)測試氫含量為0.002 9%。一般認(rèn)為，鈦中的氫含量絕對不允許高于0.012 5%～0.015%，因?yàn)楦哂谶@個含量就會析出氫化物，并出現(xiàn)明顯的氫脆現(xiàn)象[6]?？梢钥闯?，鍛件經(jīng)β退火后，鍛件表層氫含量未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

2.2低倍組織

圖3為鍛件橫截面宏觀低倍組織照片?？梢钥闯?，整個截面組織均勻，呈現(xiàn)出明顯的清晰晶，無冶金缺陷、偏析，為β退火后的宏觀典型特征。

2.3顯微組織

圖3　TI-6AL-4V ELI鍛件低倍組織Figure 3　Macrostructures of Ti-6Al-4V ELI forging

圖4　TI-6AL-4V ELI鍛件顯微組織(200×)Figure 4　Microstructures of Ti-6Al-4V ELI bar(200×)

表3　TI-6AL-4V ELI鍛件室溫拉伸以及斷裂韌性Table 3　The room temperature tensile property and fracture roughness property of Ti-6Al-4V ELI forging

圖4為取自鍛件橫截面1/2厚度處試樣的顯微組織。可以看出，與原材料典型的雙態(tài)組織(圖1)相比，鍛件經(jīng)β退火后得到無初生α相的魏氏組織且整體較細(xì)。在β單相區(qū)固溶時α相溶入β相中，在隨后的風(fēng)冷過程中，α相在晶內(nèi)和晶界呈片狀或針狀析出，再經(jīng)普通退火后，魏氏組織趨于穩(wěn)定化。

2.4拉伸以及斷裂韌性

鍛件室溫拉伸和斷裂韌性試樣測試結(jié)果見表3。該結(jié)果與祝力偉等[7]在實(shí)驗(yàn)室條件下得到的結(jié)果相當(dāng)。

2.5 討論

通過以上結(jié)果可以看出，在TI-6AL-4V ELI大規(guī)格棒料總體組織較均勻的情況下，經(jīng)制坯、改鍛后得到的大型鍛件有利于組織和性能的進(jìn)一步優(yōu)化[8]，再經(jīng)β退火+普通退火后鍛件發(fā)生了均一的轉(zhuǎn)變，得到了典型的魏氏組織，且晶內(nèi)片層較為細(xì)小，拉伸和斷裂韌性結(jié)果較好。另經(jīng)高溫處理，鍛件表面的有害元素氫含量也未見顯著增加。所有理化檢測結(jié)果均滿足該鍛件的客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。

3結(jié)論

(1)大型鍛件試制時，選用較均勻的大規(guī)格棒料，再經(jīng)多次制坯、改鍛，有利于鍛件組織和性能的優(yōu)化。

(2)鍛件經(jīng)β退火得到了均一的魏氏組織，且組織較為細(xì)小、力學(xué)性能較好。

參考文獻(xiàn)

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[3]葉紅川，王彥皓，張雪華，曲恒磊.beta相區(qū)熱處理對TI-6AL-4V ELI合金板材組織和性能的影響[J].材料熱處理技術(shù)，2011，40(16):179-181.

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[6]王金友，葛志明，周邦彥.航空鈦合金的應(yīng)用[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985:6.

[7]祝力偉，王新南，朱知壽.不同熱處理工藝下TI-6AL-4V ELI鈦合金的顯微組織及力學(xué)性能[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(1):9-12.

[8]童路，朱知壽，俞漢清，王之錄.TI-6AL-4V ELI鈦合金自由鍛件組織與性能的影響因素[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(1):87-90.

編輯杜青泉

Influence of β Annealing Heat Treatment on Microstructures and Properties of Ti-6Al-4V ELI Large Die Forging for Civil Aircraft

Huang Lijun,Gao Lei,Luo Hengjun,Zeng Jing,Mo An'jun

Abstract：By using Ti-6Al-4V ELI large size bar,a large joint die forging for civil aircraft has been trial-manufactured by means of multiple blanking and forging.By adopting β annealing heat treatment process,a uniform widmanstatten microstructure has been obtained in this forging as well as the finer lamellar microstructure in the crystal and the better mechanical properties.

Key words：Ti-6Al-4V ELI;large die forging;β annealing;microstructure;mechanical property

收稿日期：2016—02—25

作者簡介：黃立軍(1983—)，碩士，工程師，從事航空鍛件熱處理工藝研究等。電話：15196374808，E-mail：huanglijun@china-erzhong.com

基金項(xiàng)目：中國工信部重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2012ZX04010-081)

中圖分類號：TF804.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A