2 種軋制溫度下BT25 鈦合金棒材組織與性能

王文杰，趙永慶，曾立英

(1. 海軍裝備部，陜西 西安 710021)

(2. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

BT25 鈦合金(Ti-6.7Al-1.5Sn-1.5Zr-2Mo-lW-0.15Si)是由俄羅斯研制的，是馬氏體型的α + β 兩相鈦合金。其工作溫度可達(dá)500 ～550 ℃，是用于發(fā)動機(jī)的理想熱強(qiáng)鈦合金之一，可用于制造壓氣機(jī)零件［1-5］。

目前，BT25 鈦合金已經(jīng)應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)上，這些年來我國也對該合金進(jìn)行了大量的研究［1-5］，報(bào)道了該合金棒材性能、軋制技術(shù)及其對合金組織和性能的研究［2，5］。由于工藝決定組織，組織決定性能，因此合金棒材的最終性能與其鍛造、軋制及熱處理工藝密切相關(guān)。在眾多工藝參數(shù)中，軋制溫度對棒材最終性能的影響尤為重要。因此，應(yīng)用戶要求，研究了950 ℃和980 ℃(950 ℃位于常規(guī)的兩相區(qū)加工溫度區(qū)間，比相變點(diǎn)低50 ℃;980 ℃位于兩相區(qū)加工的高溫區(qū)，接近近β 鍛造溫度)軋制的BT25 鈦合金棒材的室溫、500 ℃及550 ℃拉伸性能、熱穩(wěn)定性能與持久性能，以及950 ℃軋制棒材的室溫、400 ℃、500 ℃、550 ℃和600 ℃拉伸性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用的BT25 鈦合金鑄錠經(jīng)三次重熔而成，尺寸為φ280 mm，其化學(xué)成分為:6.3%Al，2.0%Sn，1.59%Zr，1.98%Mo，0.73%W，0.29%Si，0.04%Fe，0.011%N，0.01%C，0.002%H，0.14%O。金相法測定該合金的相轉(zhuǎn)變溫度約為1 010 ℃±10 ℃。鑄錠在1600t 快鍛機(jī)上開坯鍛造后，多火次反復(fù)鐓拔獲得φ70 mm 棒材;隨后將φ70 mm 的棒料在SKK-10 精鍛機(jī)上精鍛成φ50 mm 棒材;最后將φ50 mm的棒料分別在950 ℃和980 ℃于ZJ-250 軋機(jī)上一火次軋制成φ12 mm 棒材。

在2 種溫度軋制的棒材上分別切取拉伸試樣，并按照960 ℃×1 h/AC +550 ℃×6 h/AC 的熱處理制度對其進(jìn)行熱處理。隨后將部分試樣在550 ℃熱暴露100 h 后對其進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)以評價(jià)其熱穩(wěn)定性。所有拉伸與持久試樣均采用標(biāo)距長25 mm，直徑5 mm 的棒狀樣品。室溫拉伸、高溫拉伸以及持久試驗(yàn)分別在Instron-1185 型、Instron-5985 型電子拉伸機(jī)以及BN2 型高溫持久試驗(yàn)機(jī)上完成。室溫沖擊試驗(yàn)選用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的梅氏U型缺口試樣，在JB-30B 沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在奧林巴斯PMG-3 型顯微鏡上觀察合金組織。

3 結(jié)果與討論

3.1 2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的組織形貌

通常情況下，可根據(jù)合金要求的力學(xué)性能來選擇其顯微組織的類型，進(jìn)而確定加工工藝。魏氏組織具有良好的高溫抗蠕變性能，但其塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞性能最差。網(wǎng)籃組織和雙態(tài)組織綜合力學(xué)性能良好(強(qiáng)度和塑性均較好)，前者的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能良好，但其疲勞性能和熱穩(wěn)定性要相對差一些。與雙態(tài)組織相比，網(wǎng)籃組織具有更優(yōu)異的抗蠕變性能。等軸組織具有最好的拉伸塑性和熱穩(wěn)定性，但其抗蠕變性能最低［6］。為保證壓氣機(jī)零件的使用壽命和可靠性，就BT25 鈦合金而言，一般會選擇網(wǎng)籃組織或雙態(tài)組織。

圖1 給出2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的金相照片。由圖可知，經(jīng)960 ℃×1 h/AC +550 ℃×6 h/AC 處理后，2 種溫度軋制棒材的組織形貌基本相似，均為由初生α 相和條狀β 轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的雙態(tài)組織，其中白色的等軸狀顆粒為初生α 相，條狀為β 轉(zhuǎn)變組織。白色初生α 相均勻分布在黑色的β 基體上。980 ℃軋制的棒材初生的等軸α 相尺寸大，而次生的α 相細(xì)長，有部分厚短的α 片層彎曲，連接成鏈狀，如圖1a 所示。軋制溫度降至950 ℃，BT25 鈦合金棒材中初生的等軸α 相數(shù)量減少，尺寸變小;較次生的細(xì)長α 相數(shù)量減少，尺寸變化不大，如圖1b 所示。這是因?yàn)檐堉茰囟雀撸Я３叽缬兴L大。總體來說，BT25 鈦合金軋制棒材組織比較均勻，且隨著變形溫度的降低，組織變得細(xì)小。

圖1 2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材熱處理后的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of BT25 titanium alloy bars rolled at different temperatures

3.2 2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的力學(xué)性能

表1 示出BT25 鈦合金熱軋棒材的室溫拉伸性能以及其在550 ℃熱暴露100 h 后的室溫拉伸性能。表2 示出BT25 鈦合金的高溫拉伸性能與持久性能。從表1 可以看出，2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的室溫拉伸性能與熱穩(wěn)定性能均滿足用戶提出的指標(biāo)要求。其中，980 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材的室溫拉伸性能均優(yōu)于950 ℃的，抗拉強(qiáng)度比950 ℃的約高1.73%，延伸率約高5.1%。在550 ℃熱暴露100 h后，980 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度與室溫相比基本沒有發(fā)生變化，屈服強(qiáng)度有所升高，延伸率降低幅度較大，大約降低了42.3%;而950 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均升高2%左右，延伸率降低13.51%。室溫下2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的沖擊韌性相當(dāng)。從表2 中可以看出，2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材在500 ℃和550 ℃的高溫拉伸與持久性能相差不大，均滿足用戶提出的指標(biāo)要求。這表明軋制溫度對BT25 鈦合金棒材的高溫拉伸性能與持久性能影響不大。

表1 BT25 鈦合金棒材的室溫拉伸性能與熱穩(wěn)定性能Table 1 Tensile properties at ambient temperature and thermal stabilities of BT25 alloy bars

表2 BT25 鈦合金棒材的高溫拉伸性能與持久性能Table 2 Tensile properties and duration time of BT25 alloy bars exposed with a certain stress at 500 ℃and 550 ℃

總之，2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材均具有較好的室、高溫拉伸性能、沖擊韌性、熱穩(wěn)定性與持久性，可滿足用戶提出的指標(biāo)要求，且室溫拉伸性能與熱穩(wěn)定性能均比指標(biāo)要求富余較大量。

圖2 示出BT25 鈦合金950 ℃軋制棒材在室溫、400 ℃、500 ℃、550 ℃以及600 ℃的拉伸性能。從圖中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度從400 ℃升至550 ℃，Rm的降幅只有11.3%，而A 恒為10%，Z 的增幅為80%，這表明在400 ～550 ℃，該合金棒材的室溫拉伸性能變化幅度不大。600 ℃時(shí)，雖然其Rm有所下降，但仍具有較好的室溫拉伸性能，此時(shí)Rm=635 MPa，Rp0.2=590 MPa，A=10%，Z=50%。

圖2 950 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材在不同溫度下的拉伸性能Fig.2 Tensile properties tested at different temperatures of BT25 alloy bars rolled at 950 ℃

4 結(jié) 論

(1)2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材組織比較均勻，均為初生α 相和條狀β 轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的雙態(tài)組織。變形溫度較低時(shí)，組織較細(xì)小，合金的綜合性能較高，尤其是熱穩(wěn)定性能相對好一些。

(2)2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材經(jīng)960 ℃×1 h/AC+550 ℃×6 h/AC 熱處理后，合金的綜合性能較佳，其室溫和高溫拉伸性能、持久性能與熱穩(wěn)定性能均達(dá)到了用戶提出的指標(biāo)要求。

(3)950 ℃、980 ℃2 種溫度軋制棒材的高溫拉伸性能、沖擊韌性基本相當(dāng)。980 ℃軋制棒材的室溫拉伸性能優(yōu)于950 ℃軋制的棒材。950 ℃軋制的棒材550 ℃熱暴露100 h 后塑性降低程度較小，表明其熱穩(wěn)定性能優(yōu)于980 ℃軋制的棒材。

(4)400 ～550 ℃下，950 ℃軋制的棒材的室溫拉伸性能變化幅度不大，且600 ℃時(shí)，仍具有良好的室溫拉伸性能。

［1］彭新元，劉元春，周賢良，等. 雙重退火對BT25 鈦合金組織與性能的影響［J］. 金屬熱處理，2010，35(4):42-46.

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