熱處理對lMl834鑄造用高溫鈦合金組織與性能的影響

郭建忠，劉小花，劉娣，張利軍，周中波，吳天棟

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西，西安，710054；2.西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西，西安，710201）

IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）合金是英國在1984年研制成功的一種近α型鈦合金，應(yīng)用溫度近600℃，具有高蠕變強度和良好的疲勞強度和變形能力，已在多種發(fā)動機上得到了試驗和應(yīng)用，如波音777使用的Trent700發(fā)動機，其高壓壓氣機的所有輪盤、鼓筒及后軸均采用IMI834合金，明顯減輕了發(fā)動機的質(zhì)量。其次，IMl834也被用于普惠公司的PW350發(fā)動機和EJ200發(fā)動機的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子[1-5]。

目前對600℃用高溫鈦合金的研究多集中在變形方面[6-8]，對其鑄造相關(guān)性能的研究比較少見。Nidhi Singh等人研究了熱處理溫度對IMI834合金拉伸性能的影響，結(jié)果表明，隨著固溶溫度升高，合金的強度和塑性會下降[9]。M. H. GHAVAM等人采用建模方法研究了IMI834鈦合金在熱拉伸變形過程的流變行為，結(jié)果表明，結(jié)果表明，在不同應(yīng)變條件下IMI834鈦合金的熱拉伸變形激活能范圍為519～557 kJ/mol[10]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙而團(tuán)研究了型殼預(yù)熱溫度、離心轉(zhuǎn)速以及型殼面層材料對IMl834高溫鈦合金充型能力的影響。并獲得了優(yōu)化的鑄造工藝參數(shù)[11]。史蒲英等人研究了固溶時效溫度對IMl834鈦合金棒材組織和性能的影響，獲得了鍛造IMI834合金的最佳熱處理制度[12]。對于航空航天工業(yè)中應(yīng)用的鈦合金鑄件，必須采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噥砀纳畦T造顯微組織及機械性能，因此，本文將研究熱處理工藝對IMI834鑄造鈦合金組織與性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗選用一級小顆粒海綿鈦、Al-Mo中間合金、Al豆、Ti-Sn中間合金、鈮鈦合金、C粉等原料。經(jīng)過兩次真空自耗熔煉制備成規(guī)格為Φ220的IMI834成品鑄錠，合金成分見表1。鑄錠在β區(qū)進(jìn)行一火鍛造成Φ160棒材，利用鍛棒進(jìn)行鑄造工藝試驗，采用真空凝殼爐澆注成Φ20×270mm試棒。將試棒進(jìn)行不同制度的熱處理，熱處理制度見表2。

表1 lMl834鑄造鈦合金的熱處理工藝

表2 lMl834鑄造鈦合金的熱處理工藝

在鑄態(tài)及熱處理后的IMI834合金鑄棒上取樣，用OLYMPUS GX41立式金相顯微鏡觀察合金的顯微組織，按照GB/T 228要求測定試樣的室溫及高溫拉伸性能（500℃、550℃、600℃），按照GB/T2039的要求測定試樣的高溫持久及蠕變性能。并對熱處理狀態(tài)的室溫拉伸試樣進(jìn)行斷口掃描。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 組織形貌分析

IMI834合金在鑄態(tài)和經(jīng)過不同熱處理狀態(tài)下的高倍組織如圖1所示。由圖1（a）可以看出該合金在鑄造狀態(tài)下的金相組織為細(xì)小的片狀α集束+片間β+連續(xù)的晶界α相。還可以看出鑄態(tài)的原始β晶粒異常粗大，α相分布不均勻。經(jīng)過1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚砗?，晶?nèi)為棒狀α相縱橫交錯的網(wǎng)籃組織（見圖1（b））。圖1（c）為該合金經(jīng)700℃× 2h，AC后的組織。單純時效后的組織片狀α集束的尺寸比鑄態(tài)細(xì)小，α相的分布也更加均勻，晶界α相呈連續(xù)分布。從圖一可以看出，單純時效狀態(tài)基本上都是細(xì)片層α相，而雙重?zé)崽幚砗蟮慕M織內(nèi)含有近網(wǎng)籃組織。

圖1 IMI834合金在不同狀態(tài)下的金相組織

2.2 IMI834合金的室溫拉伸性能

IMI834合金室溫拉伸性能如表2所示。從表2可以看出，鑄態(tài)和只經(jīng)過單純時效的IMI834合金室溫力學(xué)性能接近（抗拉強度約1020MPa，伸長率約12%）。經(jīng)過1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚砗罂估瓘姸群颓姸让黠@升高（1040MPa），但是伸長率降低至8.8%。

表2 lMl834的室溫拉伸性能

2.3 IMI834合金的高溫拉伸性能

表3為IMI834鈦合金不同熱處理狀態(tài)下的高溫拉伸性能，由表3可以看出，經(jīng)過1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚淼腎MI834合金550℃高溫強度較高（達(dá)640MPa），塑性約15%。而經(jīng)過單純時效的IMI834合金600℃的高溫抗拉強度較高（達(dá)620Mp），高溫塑性約14%。經(jīng)過單純時效后的IMI834合金550℃高溫強度和塑性略低于雙重?zé)崽幚頎顟B(tài)，600℃的高溫抗拉強度較雙重?zé)崽幚砗蟮穆杂刑嵘?。三種狀態(tài)的IMI834合金高溫塑性差別不大，基本處于11.5～17.5%之間。

表3 lMl834的高溫拉伸性能

2.4 IMI834合金的高溫持久及蠕變性能

表4列出了IMI834合金的高溫持久性能數(shù)據(jù)。由表4可以看出，熱處理狀態(tài)下的合金在600℃/450MPa試驗條件下的高溫持久時間都基本保持在5h以上。

表4 lMl834高溫持久性能

表5列出了IMI834的高溫蠕變性能數(shù)據(jù)，由表5可以看出，經(jīng)過1020℃×1.5h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚砗徒?jīng)過700℃×2h，AC的IMI834合金在600℃/400MPa/30min試驗條件下的蠕變伸長率差別不大?？偵扉L率低于0.65%，塑性伸長率低于0.2%。

表5 lMl834高溫蠕變性能

2.5 斷口形貌分析

圖2為IMI834合金經(jīng)過1020℃×1.5h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚砗徒?jīng)過700℃×2h，AC后的室溫拉伸試樣斷口形貌。一般來說，合金的拉伸斷口韌窩越深，塑性變形能越強，反之，韌窩深度小，塑性變形能力弱[13]。從圖中可以看出，經(jīng)過熱處理的鑄造IMI834合金室溫拉伸斷口呈韌性斷裂，經(jīng)過1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚淼腎MI834合金韌窩數(shù)量較多，但是韌窩深度較淺。經(jīng)過700℃×2h，AC的IMI834合金韌窩深度較深，這也正好解釋了其室溫塑性優(yōu)于經(jīng)過雙重?zé)崽幚淼腎MI834合金的原因。

圖2 IMI834合金拉伸斷口SEM像

3 結(jié)論

（1） 熱處理能有效提升鑄造IMI834合金的室溫及高溫力學(xué)性能。

（2） 經(jīng)過1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚砗驣MI834合金的室溫及高溫力學(xué)性能綜合考慮高于鑄態(tài)和700℃×2h，AC狀態(tài)；但是室溫塑性略有降低。

（3） 經(jīng)過1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC雙重?zé)崽幚砗?，晶界α相大部分被破碎，晶?nèi)為棒狀α相縱橫交錯的網(wǎng)籃組織，從而保證了較高的室溫和高溫綜合力學(xué)性能。