航空發(fā)動機用TA19鈦合金大規(guī)格棒材的組織和性能研究

TA19鈦合金相當(dāng)于美國的Ti-6242S合金。該合金是一種近α型耐熱鈦合金，其名義成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，含有α穩(wěn)定元素Al，中性元素Sn和Zr，同晶型β穩(wěn)定元素Mo，共析型β穩(wěn)定元素Si。主要用于制造航空發(fā)動機的壓氣機機匣和飛機蒙皮等零件，最高的長期工作溫度為500℃。該合金可加工成自由鍛件、模鍛件、棒材和其它形式的產(chǎn)品。

TA19鈦合金的主要特點是具有中等的室溫和高溫強度，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能。與Ti-6Al-4V(TC4)相比，在相同溫度下其變形抗力要比Ti-6Al-4V明顯提高。隨著TA19鈦合金的大量使用，大規(guī)格棒材及制坯成為生產(chǎn)中急待解決的技術(shù)問題。采用常規(guī)的(α+β)鍛造，由于其鍛造溫度在β轉(zhuǎn)變溫度下40～50℃，相對于近β鍛造溫度要

低，因此給大規(guī)格棒材改鍛帶來了困難，鍛造火次多，能耗浪費大。TA19鈦合金在鍛造過程中對工藝參數(shù)較為敏感，不同的鍛造工藝參數(shù)導(dǎo)致棒材組織性能的差異較大。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求必須分析變形工藝參數(shù)、組織狀態(tài)和成形后使用性能三者間關(guān)系，進而優(yōu)化工藝參數(shù)。為此，在實際生產(chǎn)中，TA19鈦合金的制坯采用了β相區(qū)和近β相區(qū)鍛造，減少材料的損耗，提高生產(chǎn)率和縮短生產(chǎn)周期。成品棒材的組織、性能、超聲波探傷均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1、試驗

1.1試驗材料

試驗用的TA19鈦合金鑄錠采用真空自耗電弧爐三次熔煉，錠型為φ720mm。其化學(xué)成分符合GB3620國家標(biāo)準(zhǔn)要求，鑄錠的化學(xué)成分見表1。用金相法測定鑄錠的相轉(zhuǎn)變溫度為1010～1015℃。

1.2試驗方法

鍛造加熱溫度、變形量及變形速度對顯微組織影響較大。對鈦合金鍛造加熱溫度來講，β轉(zhuǎn)變溫度是一個重要的臨界溫度，低于這個溫度即在α+β相區(qū)鍛造變形后，經(jīng)雙重退火處理，獲得等軸α+β轉(zhuǎn)變組織(圖1(a))。高于β轉(zhuǎn)變溫度即在β區(qū)1050℃鍛造變形后，經(jīng)雙重退火處理，獲得網(wǎng)籃狀組織(圖1(b))。

因為不同鍛造溫度對晶粒度的影響是不同的，隨鍛造溫度的升高，晶粒有所長大。鈦合金的組織特征是在變形過程中形成的，并且在隨后的熱處理中是不能改變的，在β區(qū)加熱變形，由于β相的晶粒長大，組織變化是不可逆的，這種組織只有重新在α+β相區(qū)變形才能改變。在β轉(zhuǎn)變溫度以下的溫度變形實際上不引起宏觀晶粒長大，但顯微組織得到了細化。因此要細化宏觀組織必須在β區(qū)變形，而為了細化顯微組織，終鍛溫度應(yīng)在兩相區(qū)。

根據(jù)以上分析，在31.5MN壓力機上執(zhí)行如下工藝：①在1150℃鑄錠鐓拔，鍛后空冷、修磨；②在β轉(zhuǎn)變溫度以上40～90℃鐓拔兩火次，鍛后空冷、修磨；③在β轉(zhuǎn)變溫度以上10～30℃，鐓拔兩火次，鍛后空冷、修磨；④在β轉(zhuǎn)變溫度以下10～30℃，兩火次鍛造至成品棒材，鍛后空冷。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求制取拉伸試樣和組織試樣。試樣的熱處理制度為：970℃×60min，空冷+590℃×480min，空冷。按標(biāo)準(zhǔn)檢測產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能。

2、結(jié)果和分析

2.1棒材的低倍和顯微組織

圖2為φ200mmTA19鈦合金棒材成品低倍照片。肉眼觀察低倍組織均勻，為模糊晶，無肉眼可見的粗大、清晰晶粒。根據(jù)GJB2220-1994圖1的評級規(guī)定，兩規(guī)格成品棒材低倍組織評級為B2～B3級。

圖3為φ200、φ250mmTA19合金成品棒材試樣經(jīng)熱處理后的高倍照片。根據(jù)GJB 2220-1994的評級規(guī)定，兩規(guī)格成品棒材高倍組織評級為B5～B6級。

從圖中可以看出，顯微組織為初生α相和條狀β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的雙態(tài)組織(等軸與條狀的混合組織)，即α初+β轉(zhuǎn)。超聲波探傷符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB5193-85中A級標(biāo)準(zhǔn)要求。

從圖3可以看出，兩規(guī)格棒材的整體組織均勻性較好，等軸α相呈橢球狀和短條狀，大小均勻分布于β轉(zhuǎn)變基體上。這表明在β單相區(qū)開坯，再經(jīng)β相區(qū)和近β相區(qū)多火次反復(fù)鐓拔的鍛造過程能較好地起到細化晶粒、改善材料內(nèi)部組織均勻性的目的。并在α+β相區(qū)采用較高溫度(低于β相變點30℃)鍛造成形，獲得了初生α比例(20%～25%)較

佳的雙態(tài)組織。

2.2棒材的力學(xué)性能

棒材的力學(xué)性能如表2、3所示。從表2可以看出，TA19鈦合金兩規(guī)格棒材室溫和高溫抗拉強度平均值分別為1047、705MPa左右，屈服強度分別為946.5、568.75MPa左右，均高出標(biāo)準(zhǔn)約15%，蠕變性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從表3可以看出，TA19鈦合金兩規(guī)格棒材在525℃/480MPa下持久性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此表明，該合金大規(guī)格棒材所采用的鍛造工藝是合理的。

3、結(jié)論

(1)TA19鈦合金鑄錠經(jīng)β相區(qū)和近β相區(qū)多火次反復(fù)鐓拔，并采用較高溫度的α+β鍛造方法成形，獲得綜合性能良好、組織均勻的大規(guī)格棒材。

(2)TA19鈦合金是近α型耐熱鈦合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。

(3)大規(guī)格TA19鈦合金棒材經(jīng)970℃×60min，空冷+590℃×480min，空冷的熱處理工藝，可以獲得良好的綜合力學(xué)性能。

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