TC11鈦合金熱處理質(zhì)量控制

王雨辰,毛 喆

(1.西北工業(yè)大學(xué) 倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院,陜西 西安 710129;2.鄭州飛機裝備有限責(zé)任公司,河南 鄭州 450005)

TC11鈦合金是α+β雙相合金,在500 ℃以下有優(yōu)異的高溫強度、蠕變抗力等熱強性能;同時還具有比強度高、中溫性能好、耐腐蝕和重量輕等優(yōu)點,已廣泛用于航空發(fā)動機的壓氣機盤和葉片等零件以及飛機結(jié)構(gòu)件。TC11鈦合金的性能與其組織密切相關(guān)[1],而熱處理對TC11鈦合金的組織結(jié)構(gòu)有重要影響。因而,本文就如何控制TC11鈦合金熱處理的質(zhì)量進行了研究。

1 材料成分和工藝

1.1 化學(xué)成分

TC11鈦合金的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%): 5.8～7.0 Al,2.8～3.8 Mo,0.8～2.0 Zr,0.20～0.35 Si,余量Ti。

1.2 加工工藝

TC11鈦合金既含有穩(wěn)定體心立方晶格α相的Al、Zr,同時也含有穩(wěn)定密排六方晶格β相的Mo、Si。α、β兩相同時強化,使TC11成為α+β型鈦合金。在退火狀態(tài)下,α+β型鈦合金具有良好的強度和塑性匹配,因此TC11鈦合金一般在退火狀態(tài)下使用。其加工工藝路線通常為:供料→粗加工→雙重退火→精加工→去應(yīng)力退火→表面處理。

因雙重退火在箱式電阻爐中進行,加熱冷卻過程中鈦合金會發(fā)生氧化。氧會與鈦形成固溶體而導(dǎo)致鈦晶格畸變,阻礙了位錯運動,使得制件塑性下降、脆性增大,故雙重退火前的粗加工制件,每處留有加工余量不小于1 mm,便于后續(xù)加工中能去除鈦的氧化物。鈦合金的含氧層在雙重退火后的精加工過程中去除。

1.2.1雙重退火

標(biāo)準(zhǔn)GJB 3763A—2004《鈦及鈦合金熱處理》中對TC11鈦合金雙重退火的工藝規(guī)范為:采用箱式電阻爐在950～980 ℃保溫60～120 min,空冷;然后在530～580 ℃保溫4～6 h,空冷。檢驗試樣的拉伸強度σb≥1030 MPa、伸長率δ5≥8%。

1.2.2去應(yīng)力退火

機械加工后存在應(yīng)力,殘余應(yīng)力會引發(fā)翹曲或扭曲變形,甚至開裂。對TC11鈦合金進行精加工后,應(yīng)對其進行去應(yīng)力退火處理,以最終消除機械加工應(yīng)力。因此時零件為最終尺寸,去應(yīng)力退火處理一般采用真空爐在530～580 ℃保溫1～2 h,隨爐冷至100 ℃以下出爐空冷。

2 熱處理常見問題

2.1 抗拉強度低

在進行雙重退火工藝時,若空冷階段制件冷卻速度緩慢,會導(dǎo)致合金中β相向α相轉(zhuǎn)變,使得α相從β相中大量析出,得到不良的顯微組織,進而導(dǎo)致制件抗拉強度偏低。

案例:某批TC11鈦合金制件在進行雙重退火后,對隨爐試樣進行拉伸性能檢測,其試驗結(jié)果為:抗拉強度σb為960 MPa,伸長率δ5為14%,其中抗拉強度不符合σb≥1030 MPa的要求。復(fù)查本批TC11鈦合金雙重退火的操作過程:采用臺車電阻爐加熱至960 ℃保溫100 min后空冷;次日,再使用該設(shè)備在550 ℃保溫5 h后空冷。實驗人員反映,因當(dāng)日設(shè)備沖突,沒有550 ℃的箱式電阻爐,將臺車爐爐底開出后就斷電,次日開始第二次退火。金相組織觀察發(fā)現(xiàn),顯微組織中有大量塊狀α相,且與β呈交錯層狀排列。

TC11鈦合金雙重退火的目的是使第一次退火加熱溫度高于或接近再結(jié)晶終了溫度,使α相和β相兩相均發(fā)生再結(jié)晶。但β相再結(jié)晶相對α相再結(jié)晶有一定阻礙作用,同時由于α/β界面相發(fā)生α→β相變使β相增多,使β相成為合金的基體,α相溶入在β相內(nèi),待空冷后,因再結(jié)晶的β相析出次生α相,得到β基體上分布著α相的組織。因在冷卻中會產(chǎn)生一部分斜方馬氏體α′′(′′表示斜方結(jié)構(gòu)),再次退火加熱使α′′分解為α相和β相[2],最終得到轉(zhuǎn)變的β基體上分布著等軸次生α相組織。由于β相比較穩(wěn)定,β→α轉(zhuǎn)變緩慢,空冷會阻止α相的析出,故退火后采用空冷獲得單一β相組織。而在本批零件操作中,操作者將零件隨爐底一起空冷,臺車爐的爐底面還有三相加熱電阻絲的一組,在這種情況下,制件無法實現(xiàn)正常的空冷,導(dǎo)致冷卻緩慢。在這一冷卻過程中,不僅發(fā)生了β→α轉(zhuǎn)變,還使α相從β相中大量析出,得到了上述不良的顯微組織,進而導(dǎo)致制件抗拉強度偏低。

結(jié)合上述分析,將該批制件重新按原工藝規(guī)程進行雙重退火,在第一次退火空冷時,將制件散放在地面,保證空氣流通。再次檢測該批制件的抗拉強度σb為1120 MPa,伸長率δ5為11%,滿足了技術(shù)要求。

2.2 伸長率不合格

若合金在空冷的過程中形成魏氏組織,其等軸α相含量減少,伸長率也會降低,從而導(dǎo)致制件伸長率不合格。

案例:某批TC11鈦合金制件雙重退火操作過程如下:采用箱式電阻爐在980 ℃保溫95 min后空冷至室溫,再使用箱式電阻爐在560 ℃保溫5 h后空冷。拉伸檢測結(jié)果為:抗拉強度σb為1080 MPa, 伸長率δ5為6%,其中伸長率不滿足δ5≥8%的要求。復(fù)查操作過程,沒有發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作的情況。金相組織分析時發(fā)現(xiàn),β晶粒尺寸粗大、晶界完整,但在β晶界上分布著連續(xù)的α相,且β晶內(nèi)α相呈細(xì)長平直的塊狀。

其顯微組織是典型的魏氏組織,其形成原因是加熱溫度超過α+β相的相變點,達到了β轉(zhuǎn)變溫度。由于β相中原子的擴散系數(shù)大,加熱溫度超過相變點后,β相的長大傾向嚴(yán)重,形成粗大晶粒組織。TC11鈦合金名義β轉(zhuǎn)變溫度為1000 ℃[3],本次操作加熱溫度為980 ℃,所用電阻爐為爐溫均勻性±10 ℃的III類爐,理論上不會達到β轉(zhuǎn)變溫度。實際上,對于不同甚至同一爐次的相同合金,由于其成分上的波動(包括所含氧、氮等雜質(zhì)元素的差異),其β轉(zhuǎn)變溫度可能相差5～70 ℃不等,一般相差40 ℃左右[4]。由于本批TC11鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度偏低,加熱時超過了相變點,空冷后形成魏氏組織,α相呈塊狀而非等軸。合金中等軸α相的含量與其塑性有一定的關(guān)系[5],總體表現(xiàn)為等軸α相含量越高,其塑性越好,即伸長率越高。本批制件因退火后形成魏氏組織,導(dǎo)致伸長率不合格。

為了縮小實際β轉(zhuǎn)變溫度與名義β轉(zhuǎn)變溫度的偏差,可降低加熱溫度區(qū)間。對本批制件重新進行雙重退火,第一次退火加熱溫度設(shè)定為950 ℃,其余工藝參數(shù)不變。再次檢測該批制件的抗拉強度σb為1100 MPa, 伸長率δ5為10%,符合工藝標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 去應(yīng)力退火氧化嚴(yán)重

TC11鈦合金經(jīng)過雙重退火后要進行精加工,加工完成后制件表面存在應(yīng)力,還需要進行去應(yīng)力退火。鈦合金與氧氣形成的富氧層塑性差、易剝落[6],為了避免制件使用過程中發(fā)生斷裂失效,應(yīng)防止在去應(yīng)力退火過程中TC11鈦合金被嚴(yán)重氧化。標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 137—2004《鈦及鈦合金熱處理》中4.1.2.6條規(guī)定:“在惰性氣體中或真空中加熱的鈦及鈦合金表面出現(xiàn)淡黃色氧化膜時可不清除,若要清除,可不去除基體金屬。鈦及鈦合金表面存在淡紫色、藍色或灰色氧化膜時應(yīng)清除,并去除一定深度的基體金屬?！庇纱丝梢?對于TC11鈦合金去應(yīng)力退火表面有淡黃色氧化膜是允許的,零件已加工到最終尺寸,無法去除基體金屬,若出現(xiàn)其他較重的氧化情況,只能按報廢處理。在實際生產(chǎn)過程中,造成去應(yīng)力退火后氧化嚴(yán)重的主要原因是真空爐的真空度不夠高,不能滿足標(biāo)準(zhǔn)GJB 3763A—2004《鈦及鈦合金熱處理》中規(guī)定的真空度不大于6.7×10-2Pa的要求。造成真空度不夠的主要原因是真空退火爐真空泵長期工作,內(nèi)部零件磨損與老化嚴(yán)重,因此設(shè)備氣密性降低,無法達到真空度的要求[7],從而導(dǎo)致TC11鈦合金去應(yīng)力退火后氧化嚴(yán)重而報廢。

3 控制措施

3.1 工藝規(guī)程細(xì)化

工藝規(guī)程是指導(dǎo)實際生產(chǎn)操作的重要技術(shù)文件[8]。其本質(zhì)是為了得到技術(shù)狀態(tài)項目的預(yù)期結(jié)果,而要求使用的特種程序和專項制造技藝,是實驗人員、檢驗人員和現(xiàn)場管理人員都應(yīng)共同遵守的準(zhǔn)則。因此,在工藝規(guī)程中,應(yīng)對易出現(xiàn)質(zhì)量問題的環(huán)節(jié)進行明確要求[9]。在進行TC11鈦合金的熱處理工作時,應(yīng)著重進行以下操作:

1)降低高溫加熱溫度區(qū)間。

TC11鈦合金在α+β區(qū)加熱保溫是為了使合金進行再結(jié)晶。該鈦合金再結(jié)晶開始溫度為900 ℃,結(jié)束溫度為980 ℃?？紤]到每批材料實際β轉(zhuǎn)變溫度與名義β轉(zhuǎn)變溫度有偏差。故可對原950～980 ℃加熱溫度區(qū)間降低至950～960 ℃,可保證TC11鈦合金再結(jié)晶充分的情況下,最大限度避免雙重退火后出現(xiàn)魏氏組織。

2)強調(diào)空冷環(huán)節(jié)。

為了減少魏氏組織的形成,保證制件的伸長率,應(yīng)在工藝規(guī)程上明確要求:雙重退火后的空冷,要求零件散放在空地處,且保證通風(fēng),也可采取壓縮空氣進行強制風(fēng)冷。嚴(yán)禁制件在空冷過程中堆放或堆疊在加熱爐底面上。

3)縮短壓升率檢查周期。

標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008《熱處理工藝質(zhì)量控制》中5.2.4條規(guī)定:“在連續(xù)使用的情況下冷態(tài)壓升率的檢驗周期每月不少于一次……?！币话銓嶒炇叶紝⒄婵諢崽幚頎t的冷態(tài)壓升率的檢驗周期定為一個月,真空淬火爐、真空退火爐亦如此?？紤]到真空退火爐對TC11鈦合金去應(yīng)力退火的重要性,若爐膛出現(xiàn)漏氣,鈦合金便會出現(xiàn)嚴(yán)重氧化,這將會造成整批制件的報廢。為此,應(yīng)縮短檢驗周期,將真空退火爐的冷態(tài)壓升率的檢驗周期控制在半個月,以便出現(xiàn)漏氣故障時能及時發(fā)現(xiàn)并采取應(yīng)對方案。

3.2 合理安排生產(chǎn)

有序規(guī)范的生產(chǎn)安排,是產(chǎn)品加工質(zhì)量的保證。對于各環(huán)節(jié)銜接緊密的熱處理操作來說,規(guī)范生產(chǎn)更為重要。在實際生產(chǎn)過程中,熱處理車間調(diào)度室應(yīng)平衡當(dāng)天生產(chǎn)任務(wù),進行生產(chǎn)策劃,確保相關(guān)資源的提供,保證熱處理生產(chǎn)均衡有序的生產(chǎn)。對于TC11鈦合金的熱處理,應(yīng)考慮雙重退火后制件冷卻的區(qū)域、通風(fēng)等因素,避免生產(chǎn)組織無序而導(dǎo)致質(zhì)量問題的發(fā)生。

3.3 加強操作人員的質(zhì)量意識

質(zhì)量意識能夠反映操作人員對質(zhì)量的認(rèn)識和對質(zhì)量問題的態(tài)度。實驗操作人員的質(zhì)量態(tài)度和行為取向,對產(chǎn)品質(zhì)量有著直接影響。工藝規(guī)程不論要求多么詳細(xì),相關(guān)人員若持無所謂、差不多的態(tài)度,心存僥幸的操作,就會導(dǎo)致低級的質(zhì)量問題重復(fù)出現(xiàn)。因此,應(yīng)加強熱處理操作人員的質(zhì)量意識教育,讓操作者明確按工藝規(guī)程操作的重要性和違規(guī)操作的后果[10]。同時,要加強熱處理操作間的工藝紀(jì)律檢查。真空退火爐壓升率的按期檢驗、各類設(shè)備爐溫均勻性的測定和現(xiàn)場實際操作的規(guī)范性,都是工藝紀(jì)律檢查的重點。通過質(zhì)量意識教育,日常監(jiān)督檢查,讓操作人員遵守工藝紀(jì)律,保證規(guī)范操作[11],進而形成良好的質(zhì)量氛圍。

4 結(jié)語

TC11鈦合金的熱處理工藝與成品質(zhì)量息息相關(guān),對操作人員的技能要求不高,但對各環(huán)節(jié)的操作都應(yīng)嚴(yán)格遵守和控制,否則會導(dǎo)致制件的性能不合格而影響實驗或生產(chǎn)進程,嚴(yán)重時還會導(dǎo)致制件批次性的報廢。TC11鈦合金的熱處理應(yīng)將雙重退火中高溫加熱溫度控制在950～960 ℃;雙重退火后的空冷應(yīng)使制件散放在通風(fēng)處進行,必要可采取強制空冷;在去應(yīng)力退火的工藝流程中,真空爐的壓升率檢驗周期為每半月一次;最后通過合理有序安排實驗進程,規(guī)范實驗操作,強化操作人員質(zhì)量意識,保證TC11鈦合金熱處理質(zhì)量長期穩(wěn)定可靠。