Ti6242S鈦合金盤(pán)形鍛件鍛造及熱處理工藝研究

黃立軍　沈文濤　王周田　謝　靜　曾　菁　吳　越

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

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Ti6242S鈦合金盤(pán)形鍛件鍛造及熱處理工藝研究

黃立軍沈文濤王周田謝靜曾菁吳越

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

采用?260 mm鈦合金棒材，以錘鍛和壓機(jī)鍛造的方式試制了Ti6242S餅坯和盤(pán)形鍛件，研究了鍛造及熱處理工藝對(duì)顯微組織、力學(xué)性能以及超聲檢測(cè)雜波水平的影響。結(jié)果表明：壓機(jī)鍛出的餅坯組織和性能更優(yōu)；隨著固溶溫度的升高，鍛件初生α相減少，雜波降低；經(jīng)制坯、壓機(jī)鍛造、熱處理，鍛件可獲得較優(yōu)的組織和性能。

餅坯；盤(pán)形鍛件；鍛造工藝；熱處理工藝；組織；性能

Ti6242S鈦合金名義成分為T(mén)i-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，屬于近α型鈦合金，含有α穩(wěn)定元素Al，中性元素Sn和Zr，同晶型β穩(wěn)定元素Mo，共析型β穩(wěn)定元素Si，其中，Mo能提高室溫和高溫拉伸強(qiáng)度，增強(qiáng)穩(wěn)定性，而Al、Sn、Zr的綜合作用，可保持長(zhǎng)時(shí)間持久和蠕變的高溫強(qiáng)度，添加Si會(huì)引起某種硅化物彌散相的沉淀，有利于改善高溫蠕變強(qiáng)度。該合金因其高強(qiáng)度、高韌性和良好的抗蠕變性能，主要用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇圓盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)、葉片和機(jī)匣等，最高長(zhǎng)期工作溫度為500℃[1-3]。

目前，從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)看，國(guó)內(nèi)對(duì)Ti6242S原材料和模擬試樣在實(shí)驗(yàn)室條件下的研究[4-6]居多，而對(duì)實(shí)際鍛件研究較少?？紤]到實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的差異性，本文以某民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)形鍛件(簡(jiǎn)稱(chēng)“鍛件”)為試制對(duì)象，通過(guò)鐓餅試驗(yàn)、試塊固溶試驗(yàn)、鍛件試制，研究了鍛造及熱處理工藝對(duì)鍛件組織和性能的影響，旨在為T(mén)i6242S鍛件工業(yè)化生產(chǎn)條件下的工藝制定及優(yōu)化提供一定的依據(jù)。

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)公司生產(chǎn)的?260 mm棒材，該棒材經(jīng)過(guò)三次VAR同時(shí)經(jīng)開(kāi)坯、鐓拔、加工后得到，其化學(xué)成分以及相變點(diǎn)見(jiàn)表1。

棒材的原始組織如圖1所示，為典型的雙態(tài)組織，從棒材邊緣到中心，α相含量較多(約80%)，棒材整體組織均勻性較差，邊緣α相等軸化程度較高，心部次之，1/2半徑處較差，存在較多的拉長(zhǎng)α相。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

表1　Ti6242S棒材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及β相變點(diǎn)

(a)棒材邊緣(b)棒材1/2半徑(c)棒材中心

(a)C5t,鍛態(tài)(100×)(b)50MN,鍛態(tài)(100×)(c)C5t,熱處理態(tài)(500×)(d)50MN,熱處理態(tài)(500×)

采用C5t鍛錘和50 MN壓機(jī)按974℃和每火次變形量50%[7]，分別對(duì)兩支改鍛棒段(?140 mm×90 mm)進(jìn)行鐓餅試驗(yàn)并檢測(cè)其鍛態(tài)組織，再按980℃×1 h+FAC、595℃×8 h+AC在箱式電爐進(jìn)行熱處理，最后對(duì)餅坯組織和性能進(jìn)行檢測(cè)。從棒材切取5個(gè)試塊(20 mm×20 mm×20 mm)進(jìn)行固溶試驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)電爐中按5種溫度(964℃、974℃、984℃、994℃、1 004℃)分別保溫30 min空冷，之后對(duì)其初生α相含量進(jìn)行檢測(cè)。用壓機(jī)試制了兩件鍛件，再將其分別按兩種工藝(1#：984℃×3 h+FAC，595℃×8 h+AC；2#：999℃×3 h+FAC，595℃×8 h+AC)在箱式電爐進(jìn)行熱處理，水浸超聲檢測(cè)后將兩鍛件解剖并進(jìn)行組織和性能檢驗(yàn)。

1.3試驗(yàn)方法

采用OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用INSTRON 5887、INSTRON 9882型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和高溫拉伸性能測(cè)試。采用RD-100電子式持久蠕變機(jī)進(jìn)行持久蠕變性能測(cè)試。采用水浸法進(jìn)行超聲檢測(cè)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1錘鍛和壓機(jī)鍛造對(duì)餅坯組織和性能的影響

根據(jù)劉瑞民等[7]的研究結(jié)果，Ti6242若想在變形過(guò)程中獲得較高塑性、較小變形抗力、較好晶粒細(xì)化效果，錘鍛加熱溫度建議選擇在900～1 000℃，壓機(jī)鍛造加熱溫度建議選擇950℃，每火變形量大于20%。據(jù)此，同時(shí)也為便于兩種鍛造方式之間對(duì)比，本次鐓餅試驗(yàn)的加熱溫度和每火次變形量均采用974℃和50%。

餅坯鍛態(tài)和熱處理后的顯微組織見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯c原材料相比，經(jīng)C5t錘鍛和50 MN壓機(jī)鍛造，初生α相組織較細(xì)并趨于等軸化，說(shuō)明經(jīng)鍛造后組織得到優(yōu)化。另外對(duì)比圖2(a)和2(b)可看出，錘鍛比壓機(jī)鍛造初生α相含量較少，再經(jīng)熱處理，兩者初生α相含量均減少，但后者晶粒尺寸和針狀次生α相更為細(xì)小。餅坯熱處理后的室溫和高溫拉伸性能見(jiàn)表2?？梢钥闯?，與錘鍛相比，經(jīng)壓機(jī)鍛造的餅坯室溫和高溫拉伸性能均較高，這是由于經(jīng)壓機(jī)鍛造后餅坯晶粒以及晶粒內(nèi)部組織更細(xì)小，起到了細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

2.2固溶溫度與初生α相含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

試塊不同固溶溫度下初生α相含量見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，隨固溶溫度升高，初生α相含量逐漸減少。其中，964～974℃下降較小(47%～45%)，974～1 004℃下降較多(45%～6%)。

2.3兩種熱處理工藝對(duì)鍛件組織和性能的影響

加熱溫度和每火次變形量采用974℃和50%，通過(guò)棒材下料、多次制坯，最后在壓機(jī)上試制了兩件某民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)形鍛件。因用戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求鍛件初生α相含量控制在5%～35%之間，同時(shí)考慮到試驗(yàn)塊和鍛件的差異，此次對(duì)兩鍛件分別采用了兩種熱處理工藝。

表2　Ti6242S餅坯室溫及高溫拉伸性能

圖3　Ti6242S不同固溶溫度下的初生α相含量

圖4　Ti6242S鍛件高倍取樣位置示意圖

(a)1#工藝

(b)2#工藝

圖6　Ti6242S鍛件各位置處初生α相含量

熱處理后對(duì)兩鍛件進(jìn)行解剖，鍛件顯微組織取樣位置見(jiàn)圖4，其中“位置2”處顯微組織見(jiàn)圖5。可以看出，均為α+β兩相態(tài)組織，α相呈等軸狀，但初生α相含量不同，1#工藝和2#工藝處理后初生α相含量分別為50%和28%。隨固溶溫度升高，初生α相含量減少。兩種工藝下，鍛件各位置處初生α相含量見(jiàn)圖6。1#工藝下，鍛件初生α相含量最高處見(jiàn)位置5(約56%)，最低處見(jiàn)位置10(約46%)，均超出用戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。2#工藝下，鍛件初生α相含量最高處見(jiàn)位置1、2、4(約28%)，最低處見(jiàn)位置12(約8%)，均符合用戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3　Ti6242S鍛件兩種熱處理工藝下的力學(xué)性能

表4　Ti6242S鍛件雜波水平

鍛件的力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，兩種熱處理工藝下，鍛件的力學(xué)性能均能滿(mǎn)足用戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

鍛件解剖前進(jìn)行超聲水浸檢測(cè)，實(shí)測(cè)的雜波水平見(jiàn)表4。可以看出，隨著固溶溫度提高，鍛件雜波當(dāng)量大小降低。雜波在一定程度上反映了顯微組織的均勻化程度，固溶溫度的提高可能有利于組織的進(jìn)一步均勻化。

3　結(jié)論

(1)餅坯經(jīng)錘鍛和壓機(jī)鍛造，其顯微組織均得到優(yōu)化，但壓機(jī)鍛出的餅坯組織和性能更優(yōu)。

(2)隨著固溶溫度的升高，鍛件初生α相減少，雜波降低。

(3)鍛件經(jīng)制坯、壓機(jī)鍛造(加熱溫度974℃，每火次變形量50%)，再經(jīng)999℃×3 h+FAC、595℃×8 h+AC的熱處理，鍛件可獲得較優(yōu)的組織和性能。

[1]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè)第4卷[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002:94.

[2]岳旭，馬龍，胡亞歌，等.Ti6242S鈦合金?265mm棒材的組織與性能[J].中國(guó)鈦業(yè)，2014(2):39-42.

[3]王琛，毛小南，韓棟，等. 熱處理對(duì)Ti6242S合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2012，37(8):33-35.

[4]雷錦文，馬馳，張曉冬，等. 熱加工溫度對(duì)Ti6242S合金小規(guī)格棒材組織及性能的影響[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2015，32(2):36-39.

[5]王志輝，夏長(zhǎng)清，彭小敏，等. 熱處理工藝對(duì)Ti62421S高溫鈦合金組織與力學(xué)性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(12):2298-2306.

[6]朱雪峰，余日成，黃艷華，等. 熱處理對(duì)TA19鈦合金組織和力學(xué)性能的影響[J]. 金屬熱處理，2015，40(2):103-106.

[7]劉瑞民，李四清.Ti6242合金的熱力學(xué)參數(shù)研究[J].熱加工工藝,2005(12):18-23.

編輯杜青泉

Research on Forging and Heat Treatment Process of Ti6242S Titanium Alloy Disc Forgings

Huang Lijun, Shen Wentao, Wang Zhoutian, Xie Jing, Zeng Jing, Wu Yue

By using ?260 mm titanium alloy bar, Ti6242S billet and disc forgings have been trial-manufactured by hammering machine and press. The influence of forging and heat treatment process on microstructure, mechanical property and clutter of ultrasonic testing has been studied as well. The results show that the microstructure and the mechanical property of billet forged by press is better; the primary α phase of forging has decreased and the clutter has reduced along with the rising of solid solution temperature; a superior microstructure and mechanical property can be obtained by means of blank forming, press forging and heat treatment process.

billet; disc forgings; forging process; heat treatment process; microstructure; mechanical property

2016—05—06

中國(guó)工信部重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2012ZX04010-081)

黃立軍(1983—)，碩士，工程師，從事航空鍛件熱處理工藝研究。

TG316

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