過熱區(qū)對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響

引言

TB6鈦合金因具有較高的比強度、優(yōu)異的疲勞性能以及較強的抗應(yīng)力腐蝕能力，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－4］。TB6作為近β型鈦合金，淬透性很高，淬透層深度可達50mm以上［5－6］，這意味著TB6鈦合金可以制成尺寸較大的鍛件。但是較大尺寸的鈦合金棒材變形時，容易出現(xiàn)局部過熱，導(dǎo)致內(nèi)部組織出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。這主要是因為變形過程中的塑性變形功除了小部分以彈性變形能的形式存儲在變形體中以外，絕大部分都轉(zhuǎn)換成熱能［7］，而鈦合金傳熱系數(shù)較小，導(dǎo)致鈦合金內(nèi)部區(qū)域有較大溫升［8－9］。棒材內(nèi)部的溫升使得心部區(qū)域的實際變形溫度高于工藝溫度，甚至可能超過相變點，內(nèi)部就會生成非等軸的微觀組織，從而導(dǎo)致棒材橫截面組織與性能的不均勻。

國內(nèi)外學(xué)者對如何減少鈦合金組織與性能的不均勻性做了很多研究，提出了諸如對變形模具加熱、降低變形速率、采用近等溫鍛造［10－12］等改進措施，但是關(guān)于過熱區(qū)對大規(guī)格鈦合金棒材組織與性能影響的研究較少。隨著TB6鈦合金作為結(jié)構(gòu)件在直升機、客機、戰(zhàn)斗機等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對大規(guī)格TB6鈦合金棒材的需求越來越迫切。因此，本研究對實際生產(chǎn)過程中內(nèi)部出現(xiàn)過熱的大尺寸TB6鈦合金棒材進行取樣研究，通過組織觀察與力學(xué)性能測試，考察過熱區(qū)對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響，為大尺寸TB6鈦合金棒材的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1、實驗

實驗材料取自北京航空材料研究院鈦合金研究室熔煉的φ330mm的TB6鈦合金鑄錠。鑄錠以0級海綿鈦、中間合金為原料，通過3次真空自耗熔煉而成，其化學(xué)成分見1。鑄錠經(jīng)過開坯、改鍛，最終獲得橫截面尺寸為210mm×210mm的TB6鈦合金方形棒材。對棒材進行755℃×2h/WQ+515℃×8h/AC熱處理。

取樣示意圖如圖1所示。在橫向截面上從邊緣到心部依次截取橫向拉伸試樣(標(biāo)距尺寸為5mm×25mm)，依據(jù)GB/T228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，采用5887-E2-G1萬能材料試驗機進行力學(xué)拉伸測試;在邊緣與心部分別取寬40mm、厚10mm的疲勞裂紋擴展C(T)試樣，依據(jù)GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》，采用MTS370-50KN電液伺服疲勞試驗機進行疲勞裂紋擴展速率測試;在邊緣與心部分別取寬40mm、厚20mm的斷裂韌度C(T)試樣，依據(jù)GB/T4161—2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KⅠC試驗方法》，采用MTS370-250KN電液伺服疲勞試驗機進行平面斷裂韌度測試。依據(jù)GB/T231.1—2009《金屬布氏硬度試驗》，采用BＲIN400D硬度試驗機從邊緣到心部間隔10mm依次測量布氏硬度。在橫截面上間隔5mm依次取10mm×10mm×15mm金相試樣，采用DM3000M金相顯微鏡觀察顯微組織。在棒材中間部位取低倍試樣，觀察橫截面低倍組織。

圖 1 取樣位置示意圖

Fig. 1 Sketch map of test sample positions

2、結(jié)果與分析

2.1低倍組織

圖2為TB6鈦合金棒材橫截面低倍組織。從圖中可以看出，截面整體上晶粒較細，無偏析、夾雜、裂紋、縮孔氣孔等冶金缺陷，也沒有明顯的條紋、亮點，但在心部出現(xiàn)一個稍微發(fā)亮的過熱區(qū)域，大致呈正方形。過熱區(qū)面積約占橫截面總面積的18.4%。

圖 2 TB6 鈦合金棒材低倍照片

Fig. 2 Macrograph of the TB6 titanium alloy bar

2.2顯微組織

TB6鈦合金棒材正常區(qū)域內(nèi)，不同部位(以距表面的深度H表示)的金相照片如圖3所示。可以看出，距TB6鈦合金棒材表面深度60mm以內(nèi)的區(qū)域，顯微組織由β基體和球狀初生α相組成，晶界α相被充分破碎，屬于正常顯微組織。距棒材表面深度為50～60mm的區(qū)域，α相球化程度更高，α相尺寸明顯增大(圖3c)。TB6鈦合金棒材過熱區(qū)不同部位的顯微組織如圖4所示。在深度為65mm以上的心部區(qū)域，α相呈長條、集束狀交錯排列，為針狀網(wǎng)籃組織。心部區(qū)域溫度較高，冷卻速度較慢，產(chǎn)生的過冷度較小，故α相再結(jié)晶的晶核只能在晶界上形成。與此同時心部變形量較大，晶粒與晶界充分破碎，可供α相形核的位置及數(shù)量較多，這就導(dǎo)致生成的α相相互交錯，生成針狀網(wǎng)籃組織，最終形成如圖1中所示亮白的過熱區(qū)。在深度為65～75mm的區(qū)域，其顯微組織中仍可見零星分布的顆粒狀α相，鑲嵌在網(wǎng)籃組織當(dāng)中。深度大于80mm的心部區(qū)域，則完全沒有顆粒狀α相，并且網(wǎng)籃組織更為致密。

圖 3 TB6 鈦合金棒材正常區(qū)域不同部位的金相照片: (a)H =20 ～30 mm; (b)H =35 ～45 mm; (c)H =50 ～60 mm

Fig. 3 Metallographs of TB6 titanium bar at different positions in normal zone: (a)H =20 ～30 mm; (b)H =35 ～45 mm;(c)H =50 ～60 mm

TB6鈦合金棒材一般需要經(jīng)過固溶與時效處理后使用，因合金所含β穩(wěn)定元素較多，β相晶格轉(zhuǎn)變阻力較大，所以固溶時會生成過飽和不穩(wěn)定β相，該β相在時效過程中會逐步分解成彌散分布的α強化相與殘余β相。美國AMS4986標(biāo)準(zhǔn)中Ti-1023合金(對應(yīng)國內(nèi)牌號TB6)的淬透層深度≥50.8mm(2.0inches)［5］，文獻［6］中尺寸為165mm×179mm的TB6鈦合金方棒淬透層深度可以達到67.5mm。根圖3與圖4，尺寸為210mm×210mm的TB6鈦合金棒材的淬透層深度約為60mm。可以看出，TB6鈦合金棒材尺寸增大，淬透層深度并不一定增大。

圖 4 TB6 鈦合金棒材過熱區(qū)不同部位的金相照片: (a、d)H =65 ～75 mm; (b、e)H =80 ～90 mm; (c、f)H =95 ～105 mm

Fig. 4 Metallographs of TB6 titanium bar at different positions in over-heated zone: (a，d)H =65 ～75 mm;(b，e)H =80 ～90 mm; (c，f)H =95 ～105 mm

這主要是因為棒材尺寸的增大使得心部熱量散發(fā)更慢，固溶時心部區(qū)域不能獲得足夠的冷卻速度，在臨界冷卻速度以下的區(qū)域就不能生成亞穩(wěn)β相，而是直接生成α+β相。

2.3力學(xué)性能

TB6鈦合金棒材不同部位的拉伸性能和布氏硬度如圖5所示。可以看出，從邊緣到心部，TB6鈦合金強度呈下降趨勢，塑性呈上升趨勢，其中抗拉強度最大降低22.9%，屈服強度最大降低28.5%。從邊緣到心部，布氏硬度呈下降趨勢，但變化不大，只降低4.2%。單邊深度60mm以內(nèi)的區(qū)域為正常等軸組織，這部分TB6鈦合金因位置較淺，經(jīng)過755℃固溶處理時能獲得較大的冷卻速度而淬透，得到不穩(wěn)定β相，經(jīng)515℃時效后獲得β基體和彌散強化的α相，從而獲得較高的抗拉、屈服強度與硬度。深度大于65mm的心部區(qū)域，其組織為網(wǎng)籃組織，屬于沒有淬透的區(qū)域，不能獲得不穩(wěn)定β相，在時效過程中不能獲得強化的α相，故抗拉、屈服強度以及布氏硬度明顯降低。但是心部的網(wǎng)籃組織具有良好的塑性，其延伸率與斷面收縮率相對正常區(qū)域較高。

圖 5 TB6 鈦合金棒材不同部位的拉伸性能(a、b)和硬度(c)

Fig. 5 Mechanical properties (a，b) and hardness (c) of TB6 titanium alloy bar in different positions

表2為TB6鈦合金棒材不同部位的平面應(yīng)變斷裂韌度，圖6為TB6鈦合金棒材不同部位的疲勞裂紋擴展速率。可以看出，心部過熱區(qū)具有較大的平面應(yīng)變斷裂韌度以及較小的疲勞裂紋擴展速率。這主要是因為心部為網(wǎng)籃組織，裂紋擴展途徑較為曲折，增加了裂紋總長度，所以消耗更多的能量，同時裂紋分叉多，分散了裂紋尖端的應(yīng)力場，在破壞過程中吸收的能量大，故斷裂韌度更大，裂紋擴散速率小［13－14］。等軸組織的裂紋擴散路徑平直，分枝少，在破壞過程中吸收的能量少，故斷裂韌度低，裂紋擴散速率大。

圖 6 TB6 鈦合金棒材不同部位的疲勞裂紋擴展速率

Fig. 6 Fatigue crack growth rate of TB6 titanium alloy bar in different zone

2.4過熱區(qū)對組織與力學(xué)性能均勻性的影響

過熱區(qū)的存在使得大尺寸TB6鈦合金棒材的橫截面組織分布極不均勻。TB6鈦合金棒材經(jīng)過鍛造與熱處理后，靠近邊緣的區(qū)域得到球化較好的等軸組織，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能;心部區(qū)域為針狀網(wǎng)籃組織，強度與硬度較低。GJB1538A—2008標(biāo)準(zhǔn)［15］中要求，較大尺寸TB6鈦合金棒材固溶時效后的橫向性能Ｒm≥1105MPa，ＲP0.2≥1000MPa，A≥6%，Z≥10%。由圖5可知，距表面深度為63～147mm的過熱區(qū)的力學(xué)性能已經(jīng)不滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求。

過熱區(qū)對力學(xué)性能均勻性的影響可以采用平均值(Ave)、標(biāo)準(zhǔn)差(σ)與極差(Ｒ)來進行衡量。對TB6鈦合金棒材不同部位拉伸性能的均勻性進行計算，結(jié)果見表3。可以看出，正常區(qū)域的力學(xué)性能數(shù)據(jù)均勻性較好，過熱區(qū)的存在使得總體區(qū)域的數(shù)據(jù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差與極差變化較大。Ｒm的平均值降低了7.8%，標(biāo)準(zhǔn)差、極差分別增加了147.3%、109.8%;A的平均值增加了21.1%，標(biāo)準(zhǔn)差、極差分別增加了29.4%、68.8%。心部過熱區(qū)因未能獲得等軸組織而成為一個性能薄弱區(qū)域，在一定程度上會降低棒材以及后續(xù)所制鍛件的安全系數(shù)，形成安全隱患，必須避免產(chǎn)生。因此亟待研究適用于大尺寸TB6鈦合金棒材的鍛造與熱處理工藝。

3、結(jié)論

(1)TB6鈦合金棒材深度為60mm以內(nèi)的區(qū)域為正常的球狀等軸組織，深度為65mm以上的心部過熱區(qū)為針狀網(wǎng)籃組織。過熱區(qū)主要是因為心部區(qū)域在固溶時不能獲得足夠的冷卻速度，在低于臨界冷卻速度時沒有生成亞穩(wěn)β相，而直接生成α+β相造成的。

(2)TB6鈦合金棒材橫截面上過熱區(qū)面積占比約18.4%，相較正常等軸組織，其抗拉強度最大降低22.9%，屈服強度最大降低28.5%，布氏硬度降低4.2%，但是具有較好的塑性、較高的平面應(yīng)變斷裂韌度與較強的抗疲勞裂紋擴展能力。

(3)過熱區(qū)的存在增大了棒材橫截面組織與性能的不均勻性，降低了TB6鈦合金棒材及后續(xù)所制鍛件的安全系數(shù)，必須予以避免。

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