Ti-1023鈦合金棒材的組織與性能

供稿|楊嘉珞，岳旭，喬恩利，張起，顧忠明/

Ti-1023鈦合金是一種高可靠性、低成本的高強高韌性近β鈦合金，名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al，具有比強度高、斷裂韌性好、淬透截面大、各向異性小、鍛造溫度低和抗應(yīng)力腐蝕能力強等優(yōu)點，能夠滿足高可靠性和低制造成本的設(shè)計要求，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。

基于新疆湘潤大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)條件，熔煉出Ti-1023鈦合金φ650 mm規(guī)格2 t級鑄錠，經(jīng)多次鍛造制備為φ160 mm的棒材。本文通過對鑄錠成分以及棒材宏觀、微觀組織和力學性能進行檢驗，總結(jié)出Ti-1023合金棒材合理的生產(chǎn)工藝，達到了預期的效果。

實驗

實驗采用0A級小顆粒海綿鈦以及多元中間合金共投料2 t經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉制備成φ650 mmTi1023鈦合金鑄錠，主要成分(質(zhì)量分數(shù)，%)V為9.0%～11.0%、Fe為1.6%～2.2%、Al為2.6%～3.4%，其余為Ti，符合GJB1538的要求。鑄錠經(jīng)過切冒口、切底、鋸切中分后，在軸向外圓頭部、中部、尾部(圖1)，橫截面9點位置(圖2)取樣，用原子發(fā)射光譜法測試其主要合金元素(Al、V、Fe)的含量和其他雜質(zhì)元素。

圖1 鑄錠縱向表面取樣點示意圖

圖2 鑄錠橫截面9點位置取樣示意圖

在Ti-1023鈦合金鑄錠頭部切取適量樣塊，采用金相法測得α+β相/β相的轉(zhuǎn)變溫度為805～810 °C。鑄錠整體采用“高-低-高-低”工藝路線進行加工鍛造，采用45/50MN快鍛機在單相區(qū)(β相區(qū))開坯，最后鍛成φ160 mm的成品棒材。

按GJB1538標準，Ti-1023鈦合金棒材的組織和力學性能采用在φ160 mm棒材上沿縱向切取20 mm厚試樣片和80 mm長樣棒用于各項性能檢測。20 mm厚試樣片平端面后檢查R態(tài)、β斑(785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC)和固溶時效(775 ℃×1.5 h WC+540℃×8 h AC)處理后的高低倍組織，采用ICX41M金相顯微鏡觀察組織形貌并拍攝金相照片。80 mm長的樣棒在馬弗爐以775 ℃×1.5 h WC+540 ℃×8 h AC的制度進行熱處理后，用H-5550K半自動帶鋸床在試樣片D/4處切取橫縱向試樣坯，按標準要求機械加工成力學性能測試試樣，對其進行室溫力學性能拉伸檢測，拉伸實驗在CMT5205拉力試驗機上測定。同時，對成品棒材進行接觸法超聲波無損探傷檢測。

結(jié)果及分析

鑄錠的化學成分分析

按照產(chǎn)品取樣要求在鑄錠表面縱向頭部、中部、尾部和橫截面9點位置進行取樣，檢測不同部位主要合金元素含量，測試結(jié)果顯示鑄錠化學成分符合相關(guān)技術(shù)標準要求。尤其是縱向表面頭部和尾部兩個位置的雜質(zhì)元素(C、N、O、H)含量測試結(jié)果都能夠滿足標準范圍要求，說明鑄錠的純凈度很高[2]。

圖3為鑄錠不同部位主要合金元素化學成分統(tǒng)計圖。取樣點位置分別為鑄錠外圓頭、中、尾縱向表面(1～3點)，頭、中和尾部3個橫向截面(4～30點)。由圖3可以看出，外圓面上頭、中、底3點取樣檢測的主元素Al、V、Fe化學成分波動較小，其中Al元素含量為3.16%～3.24%；V元素含量為9.86%～10.06%；Fe元素含量為1.77%～1.89%；Al、V元素偏差不大于0.2%，其中易偏析元素Fe的偏差不大于0.12%，說明生產(chǎn)的鑄錠軸向方向上化學成分均勻性較好；鑄錠頭、中、底橫截面九點取樣檢測化學成分均可滿足標準要求，主元素Al、V最大偏差不大于0.13%～0.27%，易偏析Fe元素偏差不大于0.34%。整體來看，鑄錠均勻性良好，各元素成分均滿足技術(shù)標準要求。

圖3 Ti-1023鈦合金鑄錠不同位置的合金元素成分圖

鑄錠在采用真空自耗電弧熔煉過程中，存在易發(fā)生偏析元素Fe，可能會出現(xiàn)鑄錠熔煉時成分不均勻或偏析現(xiàn)象。根據(jù)鈦合金相圖以及合金的凝固理論，在正常的凝固條件下，偏析系數(shù)k≥1的合金元素不易出現(xiàn)偏析，除非在熔煉過程中合金元素和中間合金未能充分均勻化；偏析系數(shù)k＜1的合金元素，即使熔融狀態(tài)下合金是均勻的，但在凝固時同一溫度下的固相成分和液相成分仍存在一定差別，液相中元素含量總是高于固相，這就導致鑄錠容易在中部和頭部產(chǎn)生偏析[3]。由圖3可以看出，橫截面頭部中心點Fe元素含量略高，次之為中部，最后是尾部，與上述分析一致。

總體來看，Ti-1023鈦合金2 t級鑄錠主要合金元素化學成分分布均勻、純凈度良好，均滿足鑄錠的技術(shù)要求，這也表明了鑄錠在原材料的選擇以及對熔煉過程中的工藝控制等方面都是合理可行的。

棒材組織形貌分析

Ti-1023鈦合金在φ160 mm棒材的頭部、尾部位置切取試樣片進行表面腐蝕后的鍛態(tài)(R態(tài))照片。

從圖4可以看出，棒材的低倍組織為均勻模糊晶，不存在偏析、夾雜以及其他類冶金缺陷，說明該鍛造坯料獲得了充分的變形。采用4500 t快鍛機大噸位壓力，通過對鑄錠采用“高-低-高-低”工藝路線進行多火次鍛造，充分破碎鑄態(tài)晶粒，坯料采用換向鍛造，提高坯料的鍛透性，使棒材的組織更加均勻。鍛造工藝利用近β合金的β基體在快速完成再結(jié)晶時晶粒長大很緩慢這一加工特性，使金屬的晶粒處于反復破碎，亞晶粒合并長大和晶界遷移過程中，最終棒材組織趨于均勻一致[4]，為棒材均勻的組織和良好的性能打下了良好的基礎(chǔ)。

圖4 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材不同位置的R態(tài)照片：(a)頭部；(b)尾部

在相當于鑄錠頭部位置的棒材試樣片上切取不同區(qū)域(邊部、D/4和心部)的橫向試樣，觀察R態(tài)和對其進行固溶加時效熱處理后的顯微組織，見圖5和圖6。從圖5可以看出，棒材R態(tài)顯微組織由β基體和基體上分布的均勻、細小的等軸初生α相組成，初生α相平均尺寸為3.5 μm左右，初生α相的體積分數(shù)在35%以上。從圖6可以看出，經(jīng)過固溶時效處理后，等軸化晶粒更顯著，表明鍛造變形量等工藝參數(shù)合理。

圖5 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材不同位置的R態(tài)顯微組織：(a)邊部；(b)D/4；(c)心部

圖6 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材固溶時效處理后不同位置的顯微組織：(a)邊部；(b)D/4；(c)心部

棒材β斑檢測結(jié)果

Ti-1023鈦合金Fe元素的平衡分配常數(shù)是0.3，有很大的偏析傾向。Ti-1023鈦合金β斑形成的主要原因是“Fe”合金材料的局部偏析富集引起此部分β轉(zhuǎn)變溫度比基體下降，導致在富Fe區(qū)形成不含初生α相或α相含量相對稀少的區(qū)域，即β斑，β斑會嚴重影響合金的塑性和低周疲勞壽命[5-7]。

TB6合金鑄錠Fe成分不均勻是形成β斑的“先天”因素，后續(xù)的熱加工和熱處理工藝是影響β斑產(chǎn)生的“后天”因素[8]。依據(jù)GJB1538中熱處理工藝選擇785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC制備棒材。對棒材進行觀察發(fā)現(xiàn)宏觀形貌上棒材局部無異常現(xiàn)象(圖7)；而微觀組織等軸初生α相含量約為15%，滿足GJB1538中初生α相含量大于10%以上的標準要求，如圖8所示。由此表明熔煉工藝和鍛造工藝在控制β斑方面有一定顯著效果。

圖7 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材β斑檢查照片

圖8 φ160 mmTi-1023鈦合金棒材的顯微組織：(a)邊部；(b)D/4；(c)心部

力學性能

φ160 mmTi-1023鈦合金成品棒材的力學性能結(jié)果如表1所示(每組取兩個平行試樣)。

表1 φ160 mm Ti-1023鈦合金棒材D/4位置處的力學性能

從表1可以清楚地看出，棒材的各項性能均符合相關(guān)指標的要求，橫縱向的高塑性和強度都是均勻的，塑性較標準值有一定的富余。說明在鍛造時采用適當?shù)墓に囀蛊溆休^為充分的變形，使得棒材在各個方向上組織的均勻性比較好，差異性較小。

棒材的超聲波檢測

采用SONATEST 380M型超聲探傷儀、奧林巴斯V109探頭對φ160 mm Ti-1023鈦合金成品棒材的超聲檢測從波形來看，噪聲水平不高于20%，噪聲均勻，無明顯缺陷信號出現(xiàn)，底波變化幅度小于6 dB，噪聲水平為半聲程φ1.2 -9 dB～-12 dB(圖9)，表明成品棒材可滿足GB/T5193—2007標準中的A1級要求。圖9中橫坐標代表深度，縱坐標代表信號高度，滿屏按100%計。

圖9 探傷波形

結(jié)束語

(1)采用0A級小顆粒海綿鈦以及多元中間合金熔煉生產(chǎn)的鈦合金鑄錠，成分均勻性良好，鑄錠滿足標準要求。

(2)鑄錠采用“高-低-高-低”工藝進行多火次鍛造制備出高倍組織、低倍組織、超聲波探傷都符合GJB1538標準要求的棒材。

(3)采用合適的熱處理工藝，棒材的強度橫縱向差異小，各點均勻性能良好，各項力學性都可以符合GJB1538標準要求。