等溫退火方式對TC6合金力學(xué)性能和組織的影響

(中國第二重型機械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

TC6合金是最成熟、應(yīng)用最廣泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系多元鈦合金。它主要用于制造壓氣機零件，能在400℃以下長時間工作(6000h以上)。Al在TC6合金中穩(wěn)定并強化α相。同時加入Mo與Si，增加了β相的數(shù)量，有利于熱加工與熱穩(wěn)定性的提高。Cr和Fe是β共析元素，通過強化α相和β相提高中等溫度下的拉伸強度，TC6合金是在Ti-5Al-2.5Cr合金基礎(chǔ)上發(fā)展的。Ti-5Al-2.5Cr合金在400～450℃的溫度下，能從β固溶體中分解析出TiCr2、TiFe等金屬化合物相，并迅速導(dǎo)致合金脆化，加入Mo后緩和了TiCr2、TiFe相的析出速度，故TC6合金獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。航空發(fā)動機壓氣機盤件通常使用等溫退火對鍛件進(jìn)行熱處理，可采用轉(zhuǎn)爐(指在β轉(zhuǎn)變溫度以下某一溫度加熱，轉(zhuǎn)至另一熱處理爐，爐冷到規(guī)定溫度，并在該溫度下保溫一定時間)或爐冷進(jìn)行等溫退火。為了區(qū)分，下文將兩種方式分別稱為“轉(zhuǎn)爐”與“爐冷”。

本文通過TC6兩相鈦合金餅坯(餅坯已經(jīng)過α+β鍛造)使用爐冷、轉(zhuǎn)爐兩種等溫退火方式來探尋工業(yè)生產(chǎn)條件下等溫退火對鍛件的性能以及過程控制的影響。

1 試驗方法

此爐餅坯β轉(zhuǎn)變溫度按淬火金相法測得為983℃。

1.1 熱處理

按表1熱處理制度對餅坯進(jìn)行了等溫退火熱處理。熱處理爐采用箱式電阻爐，爐溫均勻性滿足GJB509中Ⅲ類爐要求。將餅坯沿直徑一分為二，分別在半個餅坯中心1/2截面厚度進(jìn)行鉆孔，在孔中插入熱電偶。兩個1/2餅坯分別采用轉(zhuǎn)爐、爐冷兩種操作方式進(jìn)行等溫退火處理。以插入鍛件孔的熱電偶溫度到溫開始計算餅坯的保溫時間。

1.2 餅坯的檢驗

表1 TC6餅坯熱處理制度Table 1 Heat treatment scheme of TC6 flat billet

圖1 試樣取樣示意圖Figure 1 Schematic diagram of sample positions

試驗項目取樣位置和方向試樣編號數(shù)量備注β轉(zhuǎn)變溫度化學(xué)成分氫含量450℃高溫拉伸400℃高溫拉伸450℃高溫持久400℃高溫持久400℃熱穩(wěn)定性室溫沖擊室溫拉伸顯微組織任意任意任意輪緣弦向輪緣弦向輪緣弦向輪緣弦向輪緣弦向輪緣弦向輪緣弦向1/2B處13121110-1、10-29-1、9-28-1、8-27-1、7-26-1、6-24-1、4-23-1、3-22-1、2-21組1122222222切取7個樣,打印記1-7,試樣尺寸10 mm×10 mm×15 mm試樣坯尺寸25 mm×35 mm×35 mm,任意部位取試樣坯尺寸10 mm×10 mm×110 mm,任意部位取?5 mm試樣?5 mm試樣?5 mm試樣,σ=570 MPa,t≥50 h?5 mm試樣,σ=695 MPa,t≥50 h?5 mm試樣硬度在沖擊試樣上檢驗?5 mm試樣邊緣,D/4處各1個

表3 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical compositions of TC6 alloy (mass fraction, %)

表4 室溫力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of TC6 alloy at room temperature

表5 高溫力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of TC6 alloy at high temperatures

表6 熱穩(wěn)定性Table 6 Thermal stability

餅坯進(jìn)行等溫退火熱處理后，按圖1所示進(jìn)行了取樣，拉伸試驗執(zhí)行GB/T 228，沖擊試驗執(zhí)行GB/T 229，持久試驗執(zhí)行GB/T 2039，高溫拉伸試驗執(zhí)行按GB/T 4338。檢驗項目如表2所示。

1.2.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分如表3所示。

1.2.2 力學(xué)性能

室溫力學(xué)性能如表4所示。高溫力學(xué)性能如表5所示。熱穩(wěn)定性如表6所示。

1.2.3 高倍組織

高倍組織如圖2和圖3所示。

(a)2-1試樣(餅坯邊緣)

(b)2-2試樣(餅坯D/4處) 圖2 餅坯轉(zhuǎn)爐等溫退火試樣組織(500×)Figure 2 Microstructures of flat billet for isothermal annealing in manner of transfer furnace cooling (500×)

(a)2-1試樣(餅坯邊緣)

(b)2-2試樣(餅坯D/4處)圖3 餅坯爐冷等溫退火試樣組織Figure 3 Microstructure of flat billet for isothermal annealing in manner of furnace cooling

2 分析與討論

熱加工后的餅坯經(jīng)兩相區(qū)退火加熱時，α相、β相將發(fā)生再結(jié)晶。對兩相鈦合金來說，α相、β相的再結(jié)晶分為兩個階段：一是初始階段，完成形核、長大；二是晶粒的進(jìn)一步長大。在初始階段，又分為兩種類型：①通常意義上所說的再結(jié)晶，即由形核、長大兩個過程組成；②原位再結(jié)晶，即在原有晶粒的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步長大，此過程晶體的取向不發(fā)生變化。在隨后的爐冷過程中，還要發(fā)生β相向α相的轉(zhuǎn)變，這時也有1個形核長大的過程[2]。對比分析，兩種熱處理方式都可以獲得性能合格的組織，爐冷的次生α相比轉(zhuǎn)爐處理的粗，這是因為爐冷比轉(zhuǎn)爐冷卻速度慢，冷卻過程中次生α相析出，在析出過程中不斷長大，因此爐冷處理后合金組織中次生α相的片層較厚。在實際試制操作中，為達(dá)到較快的冷卻速度(≥6.8℃/min)，爐冷需要大開爐門冷卻，實際爐膛內(nèi)的爐溫均勻性在冷卻過程中變差，并且隨著室溫的變化，因爐冷前爐膛溫度高，夏季無法在規(guī)定時間內(nèi)冷卻至560℃。因爐冷過程短時間內(nèi)進(jìn)行了大溫差的降溫，爐膛靠近爐門處與爐膛內(nèi)部溫差較大，爐膛內(nèi)溫度不均勻，實際操作中發(fā)生了冷卻至560℃后爐膛內(nèi)溫度反復(fù)波動的情況，波動范圍均超過±10℃。轉(zhuǎn)爐過程因直接將工件放入低溫爐，可以縮短冷卻時間，且轉(zhuǎn)爐過程中因無需大開爐門也可以在規(guī)定時間內(nèi)冷卻至560℃，相比爐冷過程，轉(zhuǎn)爐爐膛內(nèi)溫度較均勻且更容易在生產(chǎn)過程中控制，獲得的組織也更均勻。綜合考慮，轉(zhuǎn)爐更適合現(xiàn)場批量化生產(chǎn)。

3 結(jié)論

(1)TC6等溫退火選用900℃及560℃溫度合理，可獲得滿足指標(biāo)要求的性能。

(2)轉(zhuǎn)爐過程比爐冷過程更容易控制，冷卻過程爐膛爐溫均勻性更好，更適合工業(yè)生產(chǎn)的過程控制。