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TC11(Ti-6.5A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3Sl)鈦合金是一種馬氏體α+β型鈦合金,在500℃以下具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能,并且具有較高的室溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性以及抗蠕變性能。目前主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片、環(huán)形件和緊固件。

但是由于TC11成型溫度較窄,加之變形抗力對(duì)變形溫度和應(yīng)變速率很敏感,造成TC11鈦合金在實(shí)際開發(fā)生產(chǎn)中由于鍛造工藝不成熟等因素使TC11棒材力學(xué)性能和顯微組織難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。本文根據(jù)鈦業(yè)分公司實(shí)際開發(fā)情況,探討了TC11鈦合金鍛造工藝對(duì)其室溫拉伸性能的影響。

試驗(yàn)原料及其生產(chǎn)過程

采用攀長(zhǎng)鋼公司鈦業(yè)分公司生產(chǎn)的TC11鑄錠進(jìn)行試驗(yàn)。

TC11鈦合金生產(chǎn)的工藝流程為:配料→壓制電極→焊接電極→熔煉(3次)→扒皮→電爐或燃?xì)鉅t加熱→鍛造開坯→加熱→鍛造成棒材。本次TC11試驗(yàn)合金的爐號(hào)為Y106C-362,鑄錠規(guī)格為中750 mm。

TC11合金β轉(zhuǎn)變溫度探究

理論上TC11鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度為1 000 C"。由鑄錠化學(xué)成分計(jì)算此TC11鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度(計(jì)算公式出自參考文獻(xiàn)R),得出此TC11的β轉(zhuǎn)變溫度為1 014.2℃,然后由β轉(zhuǎn)變溫度確定TC11鈦合金加熱工藝。

實(shí)驗(yàn)方案

開坯

合金在電爐中加熱,加熱工藝曲線見圖1,裝爐溫度≤750 ℃,開鍛溫度≥900 ℃,終鍛溫度≥800 ℃,再燒時(shí)間≥40 min;

此次鍛造主要是開坯過程,鑄錠由730 mm x1 500 mm鍛造成385 mm x 385 mm xL的坯料,以備進(jìn)行第二次棒材的鍛造。

鍛造試驗(yàn)方案

共采用3種方案進(jìn)行試驗(yàn),鍛后空冷,為了得到綜合性能較好的網(wǎng)籃組織,鍛造時(shí)都采用近β鍛造。

加熱工藝曲線見圖2所示。

鍛造工藝1:在β相區(qū)下部開鍛,兩相區(qū)結(jié)束鍛造,采用直接拔長(zhǎng)的方法,坯料經(jīng)3火鍛造,由385mm x 385 mm ×L拔長(zhǎng)至300 mm x L,不保證末火變形量,末火變形量約10%,終鍛溫度約850 ℃。

鍛造工藝2:在β相區(qū)下部開鍛,兩相區(qū)結(jié)束鍛造,采用直接拔長(zhǎng)的方法,坯料經(jīng)3火鍛造,由385mm x 385 mm x L直接拔長(zhǎng)至230 mm ×L,保證末火變形量,末火變形量約47%,終鍛溫度約850 c

鍛造工藝3:在β相區(qū)下部開鍛,兩相區(qū)結(jié)束鍛造,坯料采用兩鑲兩拔,由385mmL鍛至310mm ×L后,直接一火拔長(zhǎng)至230mm xL,末火變形量約61% ,終鍛溫度約900 ℃。

檢測(cè)方案

棒材采用950 ℃,2h,空冷+530 ℃,6h,空冷進(jìn)行熱處理,之后在棒材橫向1/2半徑處取樣制成國標(biāo)圓柱試樣,測(cè)定室溫拉伸性能,并在棒材取樣觀察顯微組織。

結(jié)果與分析

檢測(cè)結(jié)果見表1。對(duì)表1進(jìn)行分析如下:工藝1:此次TC11鍛造后抗拉強(qiáng)度不足,屈服強(qiáng)度也較低,并且斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率也較低,其強(qiáng)度和塑性均不符合標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述,此次TC11棒材力學(xué)綜合性能較差,*達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求,并且低倍組織中顯示有未破碎的完整β晶粒。工藝2:與工藝1相比,工藝2保證了必要的末火變形量,此次鍛造后抗拉強(qiáng)度比工藝1有所提升，達(dá)到要求,但塑性指標(biāo)仍然較差,綜合性能有所提高,但仍有清晰β晶粒。

工藝2:與工藝1相比,工藝2保證了必要的末火變形量,此次鍛造后抗拉強(qiáng)度比工藝1有所提升，達(dá)到要求,但塑性指標(biāo)仍然較差,綜合性能有所提高,但仍有清晰β晶粒。

工藝3:可以看出,不管是強(qiáng)度還是塑性都非常好,顯微組織為綜合性能好的網(wǎng)籃組織,晶粒較細(xì),達(dá)到了預(yù)期效果。工藝3在工藝2的基礎(chǔ)上增加了鍛拔次數(shù),適當(dāng)提高了終鍛溫度。圖3、圖4為工藝3的金相圖片:

由于β晶粒及晶界α充分破碎,從金相圖中可以看出顯微組織為非常標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)籃組織。

鍛造工藝對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析

從以上鍛造時(shí)的加熱工藝結(jié)合文獻(xiàn)[2]得出:TC11鈦合金在鍛造溫度低于β相變點(diǎn)1000℃的兩相區(qū)(加熱溫度為950 ℃,低于β相變點(diǎn))進(jìn)行加熱鍛造,根據(jù)終鍛溫度和變形量的不同,一般可獲得網(wǎng)籃組織或者等軸組織。網(wǎng)籃組織具有較高的斷裂韌性、持久強(qiáng)度、抗蠕變性能和中等的拉伸塑性,但熱穩(wěn)定性和疲勞性能較低。從檢查結(jié)果中顯示前兩次鍛造并未獲得網(wǎng)籃組織,由于變形量不足導(dǎo)致還存在完整β晶,塑性和強(qiáng)度也未能達(dá)到理論標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)論

(1)鍛造時(shí)未能*破碎鑄態(tài)組織(鍛造變形量不足),存在原始β晶和晶界α是導(dǎo)致前兩次鍛造后綜合性能較差的主要原因。采用多次鍛粗拔長(zhǎng)的方法進(jìn)行改進(jìn),保證原始β晶粒及晶界α充分破碎,細(xì)化晶粒提高其室溫拉伸性能。

(2)保證末火變形量,并且使總變形量控制在61%以上并在兩相區(qū)內(nèi)適當(dāng)提高終鍛溫度有助于網(wǎng)籃組織的形成,可使鍛造出的TC11合金具有較高的綜合性能。