Al含量對β鍛造TC25鈦合金環(huán)形鍛件力學(xué)性能的影響

文／楊家典，羅鴻飛，王清，胡元偉，邊紅巖，盧熠·貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司

本文介紹TC25不同Al含量原材料對環(huán)形鍛件β鍛造的力學(xué)性能影響研究，采用同一原材料廠商不同Al含量原材料通過相同的鍛造和熱處理工藝，解剖試驗鍛件研究不同Al含量原材料與β鍛造環(huán)形鍛件力學(xué)性能的關(guān)系。從而掌握此材料特性，積累數(shù)據(jù)，提出對原材料的管理和控制，完善標(biāo)準(zhǔn)，提高鍛件的力學(xué)性能。

TC25鈦合金屬于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系的變形馬氏體型α+β兩相鈦合金。合金中含有鉬、鎢等高熔點的元素，熱強性、耐熱性很好。TC25是我國自主研制的材料，由于這種材料的室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性等匹配較好，各項性能優(yōu)良，因此主要用于航空發(fā)動機上高壓壓氣機盤件、機匣類等重要零件。

TC25較其他鈦合金的突出優(yōu)點是工作使用溫度達(dá)500～550℃，在500℃以下工作時間達(dá)6000h，在550℃以下工作時間達(dá)3000h，是發(fā)動機的首選的材料之一。因此此材料鍛件對性能的要求比航空發(fā)動機上其他α+β兩相鈦合金材料高。

TC25鍛件一般要求β鍛造并按β鍛造指標(biāo)驗收的鍛件為模鍛件，因為采用模具整體悶?zāi)３尚伪阌诳刂茰囟鹊淖兓?。目前也有要求環(huán)形鍛件按β鍛造工藝進(jìn)行環(huán)軋并按β鍛造指標(biāo)驗收的產(chǎn)品，但之前研究較少，在試驗生產(chǎn)過程中，由于化學(xué)成分的波動導(dǎo)致相同鍛造和熱處理工藝生產(chǎn)的試驗鍛件出現(xiàn)力學(xué)性能沒有富余并不滿足要求的情況。本文主要闡述通過不同Al含量原材料對環(huán)形鍛件β鍛造的力學(xué)性能影響的研究，優(yōu)化化學(xué)成分方案，提高鍛件力學(xué)性能。

β鍛環(huán)形鍛件的化學(xué)成分及力學(xué)性能指標(biāo)

TC25的化學(xué)成分及力學(xué)性能指標(biāo)如表1、表2所示。

試驗方案

試驗原材料為同一廠商提供，其Al元素含量分別為6.4%、6.8%、7.2%，其他元素差異較小。鍛造及熱處理生產(chǎn)工藝方案如表3所示。

表1 化學(xué)成分（wt.%）

表2 力學(xué)性能

表3 鍛造機熱處理工藝方案

試驗結(jié)果及分析

⑴低高倍組織。

三組方案經(jīng)過鍛造及熱處理后低高倍組織非常接近，500倍的高倍組織也很接近，1000倍的高倍組織觀察到Al含量高時片狀α(α2)相對粗化，但均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，任取一組的組織照片如圖1、圖2所示。

⑵力學(xué)性能。

圖1 低高倍圖片

圖2 不同Al含量的高倍圖片

力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。

⑶試驗結(jié)果分析。

從上面的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以看出，室溫拉伸和熱穩(wěn)定延伸率及斷面收縮率出現(xiàn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，經(jīng)過熱穩(wěn)定處理后，相對室溫拉伸熱穩(wěn)定性能呈下降的趨勢，并且隨著Al含量的增加，室溫拉伸和熱穩(wěn)定延伸率及斷面收縮率也呈逐漸下降的趨勢。

表4 力學(xué)性能檢測結(jié)果

從高倍組織可知大部分視場得到網(wǎng)籃組織，但同時存在局部的等軸組織，組織為β轉(zhuǎn)+條狀α(α1)+等軸α(α1)+片狀α(α2)。環(huán)形鍛件經(jīng)過β鍛造及熱處理后會得到網(wǎng)籃組織+等軸組織，網(wǎng)籃組織是在等軸組織基礎(chǔ)上降低塑性而提高強度和斷裂韌性，所有上述力學(xué)性能數(shù)據(jù)會存在一定的波動。

結(jié)論

通過三種不同Al元素含量的試驗件生產(chǎn)，可知隨著Al含量的增加，室溫拉伸和熱穩(wěn)定延伸率及斷面收縮率也呈逐漸下降的趨勢。Al元素屬于α相的穩(wěn)定元素，鍛造、熱處理和冷卻過程促進(jìn)β相向α1及α2相轉(zhuǎn)變，而α2相脆性趨向大，α2相含量多拉伸過程容易脆斷造成延伸率及斷面收縮率低。結(jié)合上述檢測的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，若生產(chǎn)β鍛軋制并按β鍛指標(biāo)驗收的環(huán)形鍛件需將Al元素含量控制在6.2%～6.9%為宜。