TC25鈦合金α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件組織和性能研究

肖清云,郎連林,蘇 慶,張元偉,李玉鳳,李曉婷,劉雅輝,王 俊

(1. 中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司,貴州 貴陽 550000;2. 空裝成都局駐貴陽地區(qū)第二軍代表室,貴州 貴陽 550000;3. 無錫透平葉片有限公司,江蘇 無錫 214000;4. 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

0 引 言

鈦合金作為“戰(zhàn)略金屬”在航空航天等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。TC25鈦合金是我國在研制某型航空發(fā)動機(jī)時仿制俄羅斯BT25合金而開發(fā)的一種鈦合金,具有優(yōu)異的中溫拉伸強(qiáng)度和熱強(qiáng)性。TC25合金化的最大特點是加入了少量鎢(W)。由于W是銻(Ti)的共析型β相穩(wěn)定元素,在鈦合金中加入W可以延緩合金元素在α相和β相間的再分配過程,因而能提升鈦合金的高熱穩(wěn)定性[2-7]。TC25鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的高壓壓氣機(jī)盤、隔環(huán)和機(jī)匣等重要零部件,其鍛件的微觀組織和力學(xué)性能對發(fā)動機(jī)的可靠性和安全性至關(guān)重要[8-10]。

根據(jù)鈦合金的鍛造工藝特性和發(fā)動機(jī)設(shè)計對微觀組織的特定要求,鈦合金盤鍛件的鍛造及處理工藝分為3種:(1)通過α+β鍛造和α+β熱處理獲得雙態(tài)組織或等軸組織;(2)通過α+β鍛造和β熱處理獲得細(xì)小片層組織或網(wǎng)籃組織;(3)通過β鍛造和α+β熱處理獲得片層組織或網(wǎng)籃組織。對于某個特定的鈦合金,所采用的制造工藝并非一成不變,可根據(jù)具體發(fā)動機(jī)的使用工況(溫度、應(yīng)力、壽命、可靠性等)對相應(yīng)部件的力學(xué)性能要求,選擇合適的微觀組織,并制定相應(yīng)的鍛造工藝和熱處理制度[11-13]。在國內(nèi),TC25鈦合金已大量應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤和機(jī)匣等鍛件。

本文以某型航空發(fā)動機(jī)第一級壓氣機(jī)盤為試驗件,對比α+β模鍛件和準(zhǔn)β模鍛件,分析了兩種鍛件在熱鍛工藝、熱處理制度、微觀組織、力學(xué)性能和斷口形貌等方面的差異,為TC25鈦合金盤的鍛造工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 實 驗

本研究中的試驗材料為西部超導(dǎo)供應(yīng)的直徑250 mm的TC25鈦合金棒材,其化學(xué)成分、力學(xué)性能、微觀組織、超聲檢測等均滿足技術(shù)要求。

鈦合金的鍛造溫度是所有鍛造工藝參數(shù)中對鍛坯微觀組織和性能影響最顯著的因素。按照鍛造加熱溫度對鍛造工藝進(jìn)行分類,可分為:α+β鍛造、近β鍛造、準(zhǔn)β鍛造和β鍛造等[14]。本研究以某航空發(fā)動機(jī)第一級壓氣機(jī)盤鍛件為例,分別采用α+β模鍛工藝和準(zhǔn)β模鍛工藝在電動螺旋壓力機(jī)上鍛造獲得鍛件(見圖1),模鍛工藝參數(shù)和熱處理制度見表1。按圖2對α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件取樣,用于觀察剖面(M-M剖面)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察(輪緣(LY)、輻板(FB)、輪轂(LG)等3處微觀組織)和力學(xué)性能測試(室溫拉伸、HBW硬度、沖擊韌性、550 ℃熱穩(wěn)定性和500 ℃高溫拉伸等),最后對斷口形貌(室溫拉伸和熱穩(wěn)定性)進(jìn)行了觀察。

(a) α+β鍛件

(b) 準(zhǔn)β鍛件

表1 TC25鈦合金熱模鍛溫度和熱處理制度

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 鍛件低倍組織對比

圖3為α+β鍛件沿M-M徑向剖面的低倍組織,主要為良好的模糊晶組織,變形流線沿鍛件輪廓合理分布,剖面無冶金缺陷等異常情況。圖4為準(zhǔn)β鍛件相同位置的低倍組織,主要為半清晰晶組織,變形流線沿鍛件輪廓分布,其流線比α+β鍛件更為清晰和明顯,這與準(zhǔn)β模鍛得到的片層組織的方向性有關(guān)。

圖2 壓氣機(jī)盤鍛件取樣示意圖Fig.2 Sampling diagram of the compressor disk forging

(a) α+β鍛件

(b) 準(zhǔn)β鍛件

(a) 輪緣

(b) 輻板

(c) 輪轂

2.2 鍛件微觀組織對比

圖5為α+β鍛件的輪緣、輻板、輪轂3處的微觀組織,可見3處微觀組織一致性良好,均為雙態(tài)組織。與典型的雙態(tài)組織(等軸初生α相+片狀β轉(zhuǎn)變組織)不同[15],該α+β鍛件的初生α相有兩種:球狀初生α相和短條狀初生α相,體積分?jǐn)?shù)分別為30%和10%,總體積分?jǐn)?shù)約為40%。

圖5為SEM背散射電子成像的微觀組織圖片,組織呈現(xiàn)為β轉(zhuǎn)變的特征,包括細(xì)小的次生α相和殘余片層β相,且次生α相更多的是呈交叉編織狀分布,如圖5(b)所示。

(a) 500倍

(b) 2 000倍

圖6為準(zhǔn)β鍛件的輪緣、輻板、輪轂處的微觀組織。輪緣、輻板、輪轂3處的初生α相體積分?jǐn)?shù)分別約為3%、 8%和8%。雖然模鍛時采用在相變點溫度加熱,但實際鍛造時的坯料溫度略低于相變點溫度(約差5～10 ℃),因此模鍛后保留了少量等軸初生α相。

圖7為SEM背散射電子成像的微觀組織,除了第一次退火得到的粗大長條α相外,殘留β相經(jīng)過第二次退火時分解形成細(xì)小β轉(zhuǎn)變組織(細(xì)小次生α相+殘余片層β相),次生α相呈交叉編織狀。準(zhǔn)β鍛件微觀組織中集束尺寸很小,約50 μm,這意味著有效晶粒尺寸被控制得極為細(xì)小,且相鄰集束中α片層的取向不同(圖7(b)),這有利于提高鍛件的塑性和疲勞性能。

(a) 輪緣

(b) 輻板

(c) 輪轂

2.3 力學(xué)性能和斷口形貌

表2～5為α+β鍛件和準(zhǔn)β模鍛件的力學(xué)性能測試結(jié)果,可見α+β鍛件抗拉強(qiáng)度較好,而準(zhǔn)β鍛的沖擊韌性較好,兩種鍛件的塑性和熱穩(wěn)定性相當(dāng)。與室溫拉伸塑性相比,經(jīng)過550 ℃/100 h熱曝露后,兩種鍛件的拉伸塑性均大幅下降。利用SEM觀察熱曝露后的試樣斷口可知(圖9),鍛件表面氧化可以忽略。因此,導(dǎo)致鍛件熱穩(wěn)定性下降的主要因素是微觀組織退化,即在熱曝露過程中析出α2相。α2相的析出與原材料中Al和O含量偏高有關(guān)。

(a) 500倍

(b) 2 000倍

表2 TC25鈦合金鍛件室溫力學(xué)性能

表3 TC25鈦合金鍛件熱穩(wěn)定性

表4 TC25鈦合金鍛件500 ℃拉伸性能

表5 TC25鈦合金鍛件持久壽命

與原材料棒材的熱穩(wěn)定塑性值相比,α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件的熱穩(wěn)定塑性值有所提高,這可能與熱處理試樣的截面厚度有關(guān)。原材料棒材采用試樣條(截面尺寸小于20 mm),而鍛件的最大截面尺寸為74.5 mm,輪緣厚度55 mm。在雙重退火工藝中,第一次退火后空冷時的截面較厚、冷卻速度慢、組織轉(zhuǎn)變慢、α片層粗大,因此實際鍛件的強(qiáng)度低、塑性高。棒材和α+β鍛件均為雙態(tài)組織,而準(zhǔn)β鍛件是片層組織為主(含有極少的球狀初生α相),因此棒材和α+β鍛件的熱穩(wěn)定性理論上優(yōu)于準(zhǔn)β鍛件。但由表3可知,準(zhǔn)β鍛件熱穩(wěn)定性與α+β鍛件相當(dāng),這是因為準(zhǔn)β鍛件組織中集束尺寸細(xì)小、強(qiáng)度和塑性較好。

采用SEM觀察兩種鍛件的室溫拉伸和熱穩(wěn)定性的試樣斷口形貌。圖8為α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件的室溫拉伸斷口形貌。圖8(a)和圖8(c)的宏觀斷口均有明顯頸縮,且可為兩部分:周圍裂紋萌生區(qū)和中心瞬斷區(qū)。圖8(b)和圖8(d)的裂紋萌生區(qū)均以淺韌窩為主,可分辨出集束組織的片層結(jié)構(gòu)。

(a) α+β鍛件斷口 (b) α+β鍛件韌窩

(c) 準(zhǔn)β鍛件斷口 (d) 準(zhǔn)β鍛件韌窩

圖9為α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件的熱穩(wěn)定性試樣斷口形貌。圖9(a)和圖9(c)的宏觀斷口均無明顯頸縮且斷口平直。圖9(b)中,α+β鍛件的斷口呈小平面解理斷裂,小平面的尺寸與初生α相近,這表明小平面為球狀初生α相的斷面。圖9(d)中,準(zhǔn)β鍛件的斷口呈現(xiàn)為解理斷裂特征,其解理面是片層集束組織的斷口。α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件的解理斷裂形貌表明TC25具有明顯的脆性,亦即熱穩(wěn)定性較差(表3)。

3 結(jié) 論

本文對比分析了航空發(fā)動機(jī)TC25鈦合金壓氣機(jī)盤α+β鍛件和準(zhǔn)β鍛件的微觀組織和力學(xué)性能,相關(guān)結(jié)論總結(jié)如下。

1) 兩種鍛造工藝獲得的鍛件的微觀組織差異較大。α+β鍛件為典型的雙態(tài)組織,其中β轉(zhuǎn)變組織由細(xì)小的次生α相和殘余片層β相組成,且次生α相呈交叉編織狀分布。準(zhǔn)β鍛件為含有一定初生α相的編織狀片層組織,β轉(zhuǎn)變組織由細(xì)小的次生α相和殘余片層β相組成,且次生α相呈交叉編織狀。

2) 兩種鍛件的力學(xué)性能存在差異。α+β鍛件的抗拉強(qiáng)度較高,而準(zhǔn)β鍛件的沖擊韌性較優(yōu)。兩者的塑性和熱穩(wěn)定性相當(dāng)。由于棒材中Al和O含量偏高,導(dǎo)致鍛件中析出α2相,進(jìn)而導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低。

3) 為滿足航空發(fā)動機(jī)鍛件的安全性和可靠性要求,采用α+β鍛造工藝制備該第一級壓氣機(jī)盤鍛件以獲得雙態(tài)組織。其中,制坯、模鍛采用相同的α+β區(qū)加熱溫度,即Tβ-40 ℃。

(a) α+β鍛件斷口

(b) α+β鍛件韌窩

(c) 準(zhǔn)β鍛件斷口

(d) 準(zhǔn)β鍛件韌窩