固溶時效對TB6鈦合金鍛件組織和性能的影響

高 蕾 劉 娟 宋 琦 崔明亮

(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)

TB6鈦合金是一種近β鈦合金，國外牌號為Ti-10V-2Fe-3Al，該材料具有較高比強(qiáng)度、良好的斷裂韌性、較高的淬透性、良好的切削性和抗腐蝕性等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，例如飛機(jī)渦輪盤、飛機(jī)起落架和直升機(jī)旋翼系統(tǒng)，國內(nèi)航空領(lǐng)域TB6鈦合金主要應(yīng)用于直升機(jī)領(lǐng)域鍛件[1]。TB6鈦合金鍛件常用固溶時效熱處理工藝，固溶溫度、淬火冷速和時效溫度是影響鍛件性能的主要參數(shù)，陳威[2]等人研究了單級時效和雙級時效工藝的影響；王文婷[3]等人研究了低溫時效的影響；劉彬[4]等人研究了TB6鈦合金多重固溶時效熱處理工藝對鍛件的影響。

本文通過采用?130 mm規(guī)格TB6鈦合金棒材改鍛為自由鍛件，研究固溶和時效熱處理的溫度對自由鍛件組織和性能的影響，最終獲得應(yīng)用于鍛件生產(chǎn)交付的最優(yōu)熱處理工藝，同時掌握熱處理工藝和組織性能的對應(yīng)關(guān)系，便于鍛件組織性能不合格問題處理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用料為?130 mm規(guī)格棒材經(jīng)鍛造后的自由鍛件，自由鍛件尺寸為200 mm×100 mm×60 mm，對應(yīng)鍛造方向?yàn)長×LT×ST。材料化學(xué)成分如表1所示。檢測材料相變點(diǎn)為806℃。

表1 材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of the material (mass fractiom, %)

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)鍛件規(guī)范要求鍛件采用兩相區(qū)熱處理，固溶選取Tβ-(30～60℃)，水淬。時效選取510～540℃，空冷。鍛件規(guī)范中要求的熱處理時間變化對鍛件性能影響較小，因此本試驗(yàn)未選取不同時間對比的工藝試驗(yàn)。本試驗(yàn)中選取不同固溶和時效溫度試驗(yàn)方案如表2所示，固溶溫度選取770℃、760℃、750℃，時效溫度選取540℃、530℃、520℃。

表2 不同固溶和時效溫度試驗(yàn)方案Table 2 The testing programs at the different solid solution and aging temperatures

按GJB 2744A—2007標(biāo)準(zhǔn)檢測鍛件，檢測項(xiàng)目和取樣方案見圖1，力學(xué)性能試樣取自截面中心。室溫拉伸選用?5 mm×50 mm試樣，試驗(yàn)方法按照GB/T 228.1—2010要求；斷裂韌性試樣采用B=25 mm，試驗(yàn)方法按照GB/T 4161—2007要求；顯微組織和低倍試驗(yàn)方法按照GB/T 5168—2008要求。

圖1 取樣圖Figure 1 Sampling drawing

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶和時效溫度對力學(xué)性能的影響

圖2為TB6鈦合金自由鍛件經(jīng)過不同固溶和時效溫度熱處理后的力學(xué)性能。在相同的時效溫度下，隨著固溶溫度從770℃下降到750℃，可以看出，圖2(a)中抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，主要趨勢為固溶溫度每降10℃，抗拉強(qiáng)度下降約10 MPa；圖2(b)和圖2(c)中斷后伸長率和斷裂韌性呈上升趨勢，固溶760℃較770℃斷后伸長率明顯上升約2%，斷裂韌性明顯上升5 MPa·m1/2；固溶750℃較760℃斷后伸長率和斷裂韌性略有上升，分別上升約1%和2 MPa·m1/2。

在相同的固溶溫度下，隨著時效溫度從520℃升高到540℃，可以看出，圖2(a)抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，時效溫度每升高10℃，抗拉強(qiáng)度下降約40～50 MPa；圖2(b)中斷后伸長率略有升高趨勢；圖2(c)中時效520℃升高至530℃時斷裂韌性略有升高，約3～5 MPa·m1/2左右，但當(dāng)時效溫度由530℃升高至540℃時斷裂韌性明顯升高約5～10 MPa·m1/2。

(a)抗拉強(qiáng)度

(b)斷后伸長率

(c)斷裂韌性圖2 不同固溶和時效溫度下的力學(xué)性能Figure 2 The mechanical property at the different solid solution and aging temperatures

2.2 固溶和時效溫度對高低倍組織的影響

在相同固溶溫度情況下，不同時效溫度的鍛件低倍無不同之處。在相同時效溫度下，不同固溶溫度的鍛件低倍有不同之處。圖3為分別在770℃、760℃、750℃固溶后520℃時效的低倍組織，可以看出固溶溫度越高晶粒越粗越清晰，遵循溫度升高晶粒長大的普遍規(guī)律。自由鍛件中間變形量大，形成拉長晶粒，低倍評級均滿足GJB 2744A—2007中4級要求。

(a)固溶770℃

(b)固溶760℃

(c)固溶750℃圖3 不同溫度固溶后520℃時效的低倍組織Figure 3 Macrostructure at 520℃ aging temperature after solid solution at the different temperatures

高倍組織如圖4和圖5所示，均為兩相區(qū)組織，由時效β基體和球狀或條狀初生α相組成，均滿足GJB 2744A—2007中2類組織，初生α相含量均滿足不低于10%。原始β晶粒邊界未出現(xiàn)連續(xù)的、平直的α相網(wǎng)格，未出現(xiàn)粗大的晶界α相組織。在固溶溫度760℃時，不同時效溫度520℃、530℃、540℃情況下，高倍組織如圖4所示，隨著時效溫度的降低，初生α相含量略有降低。在時效溫度530℃時，不同固溶溫度770℃、760℃、750℃情況下，高倍組織如圖5所示，固溶溫度每降低10℃，初生α相含量增加約5%～10%。

圖4 不同時效溫度的高倍組織Figure 4 Microstructures at the different aging temperatures

圖5 不同固溶溫度的高倍組織Figure 5 Microstructures at the different solution temperatures

3 結(jié)論

(1)固溶溫度每降低10℃時，抗拉強(qiáng)度下降約10 MPa，斷后伸長率升高約1%～2%，斷裂韌性升高約2～5 MPa，高倍組織中初生α相含量增加約5%～10%，低倍組織中晶粒略有變細(xì)。

(2)時效溫度每升高10℃時，抗拉強(qiáng)度下降約40～50 MPa，斷后伸長率略有升高；時效溫度520℃升到530℃時斷裂韌性升高約3～5 MPa·m1/2，時效溫度530℃升到540℃時，斷裂韌性升高約5～10 MPa·m1/2，時效溫度對高低倍組織影響較小。

(3)固溶選用750～760℃水冷，時效選用520～530℃空冷，室溫拉伸和斷裂韌性具有較好的匹配性，低倍晶粒較細(xì)，高倍組織中初生α相較多。