不同軋制溫度和熱處理工藝對(duì)TC2鈦合金薄壁型材組織性能的影響

李 萍，張夢(mèng)圓，高 朋

（沈陽(yáng)和世泰通用鈦業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110206）

鈦合金具有密度小、耐高溫、耐腐蝕、比強(qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn),鈦及鈦合金型材已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如何制定軋制工藝參數(shù)和合理的熱處理制度對(duì)是否能夠生產(chǎn)出合格的型材產(chǎn)品尤為重要[1，2]。TC2鈦合金是一種中等強(qiáng)度的α+β型鈦合金，含有4%Al和約1.5%Mn，兼有α和β鈦合金的優(yōu)點(diǎn),具有較高的比強(qiáng)度、熱強(qiáng)性和較好的綜合力學(xué)性能，是較為理想的航空航天結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件中均占有重要地位。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀,制定相應(yīng)的試驗(yàn)方案,探索了不同軋制溫度和熱處理工藝對(duì)TC2鈦合金薄壁型材顯微組織和力學(xué)性能的影響,為優(yōu)化TC2鈦合金薄壁型材的生產(chǎn)工藝提供一定的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用原料為三次真空自耗熔煉的Φ80mm的TC2鈦合金圓棒坯料，其名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:3.5~5.0Al、0.8~2.0Mn、0.3Fe、0.12Si、0.10C、0.05N、0.012H、0.15O，其余為Ti。經(jīng)檢測(cè)該圓棒坯料的顯微組織以及化學(xué)成分均滿足航空棒材標(biāo)準(zhǔn)GJB 1538A-2008《航空結(jié)構(gòu)件用鈦合金棒材規(guī)范》的要求。采用金相法對(duì)合金的相變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)比金相組織圖片以及根據(jù)《GBT 23605-2009 鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)可判斷，TC2相變點(diǎn)為975℃。檢測(cè)合格的TC2鈦合金圓棒坯料在熱處理爐中加熱保溫一定時(shí)間后，使用430軋機(jī)軋制到所需尺寸的圓棒，經(jīng)削皮探傷合格后重新加熱保溫用350軋機(jī)將圓棒熱軋至要求尺寸的扁坯后進(jìn)行表面修整。由于型材軋制道次多、溫度降得快，軋制的型材邊部容易出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，故在型材軋制過(guò)程中增加補(bǔ)溫工序再進(jìn)行350軋機(jī)第三架的軋制以及最后的熱軋工序，即350軋機(jī)第四架和第五架的軋制，獲得半成品鈦合金軋制型材。最后將修整至無(wú)表面缺陷的鈦合金軋制型材，放置在真空熱處理爐中，進(jìn)行真空退火矯直。本文主要研究了TC2圓坯和扁坯軋制以及真空退火過(guò)程中不同坯料保溫溫度和時(shí)間對(duì)TC2鈦合金棒材組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律，尋找最佳的軋制溫度和熱處理工藝。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 軋制TC2圓坯所需坯料保溫溫度和時(shí)間的試驗(yàn)

TC2鈦合金圓棒坯料在加熱溫度分別為920℃、930℃、950℃，保溫時(shí)間分別為1h、4h的箱式電阻爐中加熱，用430橫列式開口軋機(jī)在α+β兩相區(qū)鍛造成Φ33mm的圓棒，鍛后空冷。在光學(xué)顯微鏡下對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察，觀察其組織變化，并對(duì)其室溫拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，分析TC2圓坯軋制時(shí)坯料保溫溫度和時(shí)間對(duì)TC2鈦合金棒材組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響規(guī)律，具體試驗(yàn)方案如表1所示。

從圖1可知，隨著保溫溫度的升高、保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TC2組織有由等軸組織向雙態(tài)組織發(fā)展的趨勢(shì)。

表2 不同熱處理制度下TC2圓坯的力學(xué)性能

表2 為經(jīng)不同熱處理制度軋制圓坯的力學(xué)性能，從表中可以看出，每種熱處理制度試樣的強(qiáng)度、延伸率相差不大，所以從成本方面考慮，軋制圓坯時(shí)的熱處理制度采用920℃/1h。

2.2 軋制TC2扁坯所需坯料保溫溫度和時(shí)間的試驗(yàn)

軋制TC2扁坯時(shí)，坯料的保溫溫度和時(shí)間的試驗(yàn)方案如表3所示。

圖2 為坯料經(jīng)過(guò)不同熱處理制度軋制的扁坯金相顯微組織形貌，組織的整體變化趨勢(shì)與圓坯大致相同，均為從等軸組織向雙態(tài)組織發(fā)展。

圖2 不同熱處理制度下各扁坯金相顯微組織形貌

表4 為經(jīng)不同熱處理制度軋制扁坯的力學(xué)性能，從表中可以看出，每種熱處理制度下試樣的強(qiáng)度、延伸率相差不大，所以從成本方面考慮，軋制扁坯時(shí)的熱處理制度采用920℃/1h。

表4 不同熱處理制度下TC2扁坯的力學(xué)性能

2.3 型材真空熱處理溫度和時(shí)間的確認(rèn)

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)“GJB 3763A-2004鈦及鈦合金熱處理”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)TC2牌號(hào)型材進(jìn)行如表5所示的真空熱處理制度。

表5 TC2牌號(hào)型材真空熱處理制度。

圖3 為TC2型材在不同真空熱處理制度下的金相顯微組織形貌,表6為不同真空熱處理制度下TC2型材力學(xué)性能情況匯總。根據(jù)技術(shù)要求（TC2：屈服強(qiáng)度≥620MPa、抗拉強(qiáng)度：685MPa~885MPa、延伸率≥10%）以及力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和金相組織，最終確定TC2型材的真空退火熱處理制度為：750℃/1.5h。

綜上，采用920℃/1h的圓坯和扁坯軋制保溫溫度和時(shí)間，750℃/1.5h的真空退火熱處理制度軋制TC2鈦合金薄壁型材可獲得晶粒細(xì)小，組織均勻一致的雙態(tài)組織，同時(shí)獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可高達(dá)716MPa和782MPa，延伸率可達(dá)23%。從室溫拉伸性能來(lái)看，雙態(tài)組織賦予合金十分優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，這是因?yàn)殡p態(tài)組織結(jié)合了等軸組織和網(wǎng)籃組織的優(yōu)點(diǎn)，因其中含有一定量的等軸組織，可以減少裂紋的減少，同時(shí)又含有一定量的網(wǎng)籃組織可以防止裂紋的擴(kuò)展。

圖3 不同真空退火熱處理制度下TC2金相顯微組織形貌

表6 不同真空退火熱處理制度下TC2型材力學(xué)性能匯總。

3 結(jié)論

（1）軋制TC2鈦合金圓棒坯料和扁坯料時(shí)，隨著保溫溫度升高、保溫時(shí)間延長(zhǎng)，顯微組織形貌均由等軸組織向雙態(tài)組織發(fā)展，力學(xué)性能變化不大，從成本方面考慮，軋制的最佳熱處理制度均為920℃/1h。

（2）真空退火熱處理制度為750℃/1.5h時(shí)，可獲得最佳的顯微組織形貌和力學(xué)性能匹配，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)716MPa和782MPa，延伸率為23%，滿足航空用鈦合金薄壁型材力學(xué)性能需求，為優(yōu)化航空用鈦合金薄壁型材生產(chǎn)工藝提供新的熱處理方案，推動(dòng)了鈦合金薄壁型材軋制生產(chǎn)的批量化和國(guó)產(chǎn)化。