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TC11钛合金大规格棒材组织均匀性控制
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TC11钛合金大规格棒材组织均匀性控制

发布时间 :2021-11-23 23:18:08 浏览次数 :

TC11钛合金名义成分为Ti-6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si,属于马氏体型α+β钛合金。具有优异的热强性能,主要用于工作温度500℃以下的飞机发动机叶片、叶轮、压气盘等关键零部件,是目前航空航天工业应用较广的一种钛合金[1] 。随着钛航空航天工业的发展,钛合金锻造棒材的规格不断增大,同时对棒材的组织均匀性提出了更高要求。本文针对TC11 ⌀ 230mm棒材组织均匀性差、力学性能不均等问题,通过制定合理的锻造工艺方案,有效地提高 ⌀ 230mm棒材的组织和力学能均匀性。

1、试验材料和试验方法

1.1 试验材料制造方法

本文选用攀长特钛材有限公司真空自耗熔炼的TC11钛合金铸锭,直径为 ⌀ 720mm。铸锭化学成分(表1),β转变度为982℃。

1.jpg

1.2 试验方法

本试验采用A、B两种锻造工艺方案。

开坯锻造:A方案和B方案,铸锭加热到α+β相变点以上,采用镦粗拔长工艺,总锻比:5。

成品锻造:A方案在β相变点以下,采用上下平砧拔长工艺生产钛棒,总锻比:5;B方案在β相变点以下,采用镦粗+ V型砧拔长工艺生产钛棒,总锻比:8。

2、试验结果对比

2.1 取样方案

成品棒材热处理工艺:960℃保温 1h,空冷+530℃保温6h,空冷。

A、B两种不同工艺生产的棒材,分别在横截面的中心、1/2R和边部取力学和显微组织试样,并在棒材一端取低倍试样。

2.2 低倍组织比较

2.jpg

A方案锻造的棒材低倍组织不均匀,边部为模糊晶,1/2R处和心部为半清晰晶。B方案锻造的棒材低倍组织均匀性好,整体为模糊晶。

2.3 显微组织比较

对采用A方案和B方案锻造的棒材,其横截面中心、1/2R和边部的显微组织检验结果如图2所示。

3.jpg

(其中下标1、2、3分别表示棒材横截面上的中心、1/2半径及边部)

采用方案A锻造的棒材从中心到边部的显微组织差异较大,边部组织为细小的等轴组织,但中心与1/2R处的组织破碎不充分,仍有原始β晶界的痕迹,虽然晶界已破碎,但原始β晶粒内部还存在明显的集束。采用方案B锻造的棒材,从中心到边部的显微组织基本为等轴组织,原始β晶界充分破碎。

2.4 力学性能比较

4.jpg

方案A锻造的棒材,中心到边部的强度逐渐提高。中心与边部的抗拉强度相差39MPa,断面收缩率相差9%。方案B锻造的棒材,中心到边部的力学性能较均匀,强度和塑性均优于A方案。

3、试验结果分析

3.1 低倍和显微组织分析

对图1和图2分析:A方案锻造的棒材中心、1/2R和边部的低倍组织分别表现为半清晰晶和模糊晶,中心和1/2R处的显微组织为等轴α+原始β晶界,边部为等轴组织。B方案锻造的棒材,低倍表现为模糊晶,其显微组织基本为等轴组织。在α+β区变形时,A方案采用上下平砧拔长工艺,棒材中心和1/2R变形不充分、锻透性差,β晶界破碎程度不高,α片层的球化程度低;B方案采用镦粗+ V型砧拔长,棒材中心受3向压应力,提高锻透性,β晶粒破碎充分,α片层的球化程度提高。

3.2 力学性能分析

从表2分析:B方案棒材断面收缩率,较A方案提高了6%,中心到边部的性能较A方案也有提高。

据相关研究表明:α相对拉伸塑性指标影响较明显,特别是断面收缩率[2] 。适当地增大变形程度,可以起到细化晶粒的作用[3] 。由于A方案锻造的棒材只采用平砧拔长,棒材变形不均匀,晶粒细化程度低,等轴α相含量相对较少,棒材中心到边部的抗拉强度和塑性相差大。B方案采用镦粗+V型砧拔长,从中心到边部棒材变形更充分、更均匀,晶粒细化程度高,等轴α相含量提高,棒材的抗拉强度均匀,断面收缩率提高。

4、结论

TC11 ⌀ 230mm棒材锻造,适当增加在α+β相区总锻比,采用镦粗+ V型砧拔长,棒材中心和1/2R处的锻透性得到改善,提高低倍组织的均匀性;晶粒细化,等轴α相含量提高,性能均匀性提升。

参考文献

[1] 苏祖武,孟国文,郭鸿镇,等.Tcll钛合金棒材显微组织等轴细晶化工艺研究[J].金属学报.1991:27

[2] 莫畏.钛铸锭和锻造[M].北京:冶金工业出版社.2012[3] 赵永庆,陈永楠,张学敏.等.钛合金相变及热处理[M].湖南:中南大学出版社.2012.

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