Ti60 高溫鈦合金環(huán)件組織性能與分析

文／李幸福，姚彥軍，胡維賢，暢繼榮·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

Ti60 高溫鈦合金具有優(yōu)良的綜合機械性能和抗蠕變性能，是我國航空及國防工業(yè)急需的新型高溫鈦合金。由于Ti60 高溫鈦合金屬于難變形材料，其鍛造加熱溫度范圍小，變形抗力和微觀組織對熱力參數(shù)敏感，因此在實際生產(chǎn)中鍛件組織與性能的穩(wěn)定性較差。本文對Ti60 高溫鈦合金在3t 自由鍛錘進行改鍛試驗，研究其改鍛成形熱處理后的組織性能，并對該合金的鍛造熱力學(xué)參數(shù)進行優(yōu)化。

在前期試制的基礎(chǔ)上，為了進一步考核鍛造和熱處理工藝的穩(wěn)定性和合理性，在生產(chǎn)Ti60 高溫鈦合金環(huán)件經(jīng)3t 自由鍛改鍛，在φ1200mm 擴孔機成形，熱處理后進行組織性能檢測與分析，并進行驗證性試驗。

原材料復(fù)驗

材料情況介紹

Ti60 高溫鈦合金環(huán)件原材料選取中國科學(xué)院金屬研究所和寶雞鈦業(yè)股份有限公司聯(lián)合研制的規(guī)格為φ250mm 的Ti60 高溫鈦合金棒材。材料牌號：Ti60；爐號：XXX-20082052；來料規(guī)格：φ250mm；鍛件重量：70kg；原材料技術(shù)條件：XXX/YYY5386-2008；相變點：1050℃；探傷：B 級；化學(xué)成分見表1。

高低倍檢查

⑴低倍組織(圖1)正常、無清晰晶粒，合格。

⑵原材料高倍組織(圖2)中兩相區(qū)加工產(chǎn)生的組織、無連續(xù)晶界α，合格。

圖1 原材料低倍組織

表1 原材料化學(xué)成分(wt%)

圖2 原材料高倍組織(200×)

⑶原材料熱穩(wěn)定性能試驗數(shù)據(jù)見表2。材料狀態(tài)：退火1025℃，空冷2h ；二次退火650℃，空冷2h。原材料室溫拉伸性能合格，高溫拉伸性能合格，高溫持久性能合格。

鍛造主要工藝流程

鍛件圖如圖3 所示，工藝流程為：下料→兩端面倒角→改鍛→車端面→腐蝕→探傷→鍛造(鍛荒)→擴孔→熱處理→粗加工→腐蝕→探傷→理化→表面清理→打磨→終檢→入庫。

改鍛

⑴鍛造設(shè)備：3t 自由鍛錘。

⑵鍛造工步。

第一工步：2鐓3拔。溫度：Tβ＋(20℃～25℃)，保溫200min，1 火完成；鍛造尺寸：φ250mm×320mm 改鍛為φ 250mm×250mm，再改鍛為φ 200mm×385mm。

第二工步：2 鐓2 拔。溫度：Tβ－(15℃～20℃)，保溫160min，1 火完成；鍛造尺寸： φ200mm×385mm改鍛為φ250mm×250mm。

第三工步：3 鐓3 拔。溫度：Tβ－(25℃～30℃)，保溫160min，3 火完成；鍛造尺寸：φ 200mm×385mm改鍛為φ 250mm×250mm。

第四工步：3 鐓3 拔。溫度：Tβ－(25℃～30℃)，保溫160min，3 火完成；鍛造尺寸：φ 200mm×385mm改鍛為 φ250mm×250mm。

第五工步：拔長。溫度：Tβ－(25℃～30℃)，保溫155min，1 火完成；鍛造尺寸：φ 200mm×385mm改鍛為φ 250mm×250mm，鍛至中間坯φ275mm×220mm。

⑶原材料改鍛后的理化檢驗情況，低倍：模糊晶；高倍：等軸晶，初生α 含量40%～50%。

⑷原材料改鍛后棒料探傷結(jié)果：①φ0.8mm 雜波滿屏；②φ1.2mm 雜波-6 ～-5dB；③φ2.0mm雜波-12dB；④φ3.2mm 雜波-12dB 以下。

鍛造(鍛荒)

⑴鍛造設(shè)備：3t 自由鍛錘。

圖3 鍛件圖

表2 原材料熱穩(wěn)定性能試驗數(shù)據(jù)

⑵沖孔尺寸：φ100mm×50mm，1 火完成。

⑶馬擴尺寸：φ400mm×φ300mm×218mm，1火完成。

⑷生產(chǎn)溫度：Tβ－30℃，保溫175min 。

擴孔

⑴擴孔設(shè)備：φ1200mm 擴孔機。

⑵擴孔尺寸。第1 火：φ440mm×φ360mm×215mm；第2 火：φ524mm×φ460mm×215mm。

⑶生產(chǎn)溫度990℃，保溫450min。

熱處理

固溶：相變點下，(1025℃～1030℃)×2h，油冷；退火：650℃×2h，隨爐冷至280℃～300℃后出爐空冷。

粗加工

粗加工尺寸：φ500mm×φ485mm×200mm，表面粗糙度Ra3.2μm。

探傷

探傷儀器：CTS-2200；探頭頻率：5MHz；掃描速度：≤50mm/s；掃描間距：≤5mm；定標(biāo)：φ1.0mm，φ0.8mm；探傷結(jié)果：φ1.2mm 平雜波-9～-8dB，φ0.8mm 平雜波-9 ～-6dB。

氫含量H=0.0025(合格范圍為≤0.012)。

理化性能檢驗

理化性能按照鍛件圖取樣圖標(biāo)定位置取樣進行理化性能檢驗，鍛件室溫力學(xué)性能和缺口拉伸性能見表3。

高低倍檢驗

低倍無清晰晶，未見冶金缺陷，如圖4 所示。高

結(jié)束語

Ti60 高溫鈦合金環(huán)件采用3t 自由鍛錘改鍛和制倍組織見及圖5 ～圖8，表4 為具體檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果均合格。

圖4 低倍組織無清晰晶及冶金缺陷

圖5 中心取樣點1 的高倍組織

表3 鍛件室溫力學(xué)性能

圖6 中心取樣點2 的高倍組織

圖7 外圓取樣點的高倍組織

圖8 內(nèi)圓取樣點的高倍組織

表4 鍛件高倍檢驗

表5 鍛件高溫拉伸性能和熱穩(wěn)定性能

高溫拉伸性能和熱穩(wěn)定性能見表5；沖擊性能、高溫持久和高溫蠕變性能見表6。坯，在φ1200mm 擴孔機上成形，并在熱處理和粗加工后進行全面理化性能檢測，以驗證現(xiàn)行熱加工工藝的合理性及有效性，為后續(xù)生產(chǎn)Ti60 高溫鈦合金鍛件提供實踐經(jīng)驗。

表6 鍛件沖擊性能和高溫持久、高溫蠕變性能

試制過程及理化性能檢驗結(jié)果顯示：

⑴在3t 自由鍛錘上進行Ti60 高溫鈦合金原材料改鍛、制坯工藝合理可行。通過自由鍛錘制坯、馬擴、擴孔等工序的變形后對Ti60 高溫鈦合金環(huán)坯進行探傷，結(jié)果φ0.8mm 平底孔雜波為-12 ～-6dB，φ1.2mm 平底孔雜波為-12dB 的水平；改鍛效果比較明顯，高低倍組織符合技術(shù)要求。通過端面低倍檢查無異常。

⑵力學(xué)性能，室溫拉伸、600℃拉伸、缺口拉伸、600℃+100h+試樣熱穩(wěn)定性、持久和蠕變性能均得到了較好的試驗數(shù)據(jù)(高低周疲勞未進行檢測)。

⑶試制表明輕擊快鍛及多火次對Ti60 高溫鈦合金組織影響顯著，具體定量研究快速變形對Ti60 合金的影響尚未明確，待其他相關(guān)工作進一步深入研究。

通過以上Ti60 高溫鈦合金環(huán)件鍛造過程試制：φ500mm×φ485mm×200mm 環(huán)件Ti60 高溫鈦合金鍛件滿足組織性能要求。試制結(jié)果顯示：探傷、高低倍組織、力學(xué)性能各項目檢測均能滿足技術(shù)條件要求。