文/張元東,張安,車安達·江西景航航空鍛鑄有限公司
王曉巍,李東寬·沈陽飛機工業(集團)有限公司
TC32 鈦合金是中國航發航材院自主研發的中高強高韌α+β 型鈦合金,其名義成分為Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1S。根據不同的熱加工工藝,TC32 鈦合金可獲得不同的組織和性能:采用兩相區鍛造+雙重退火熱處理,鍛件可獲得α+β組織,其綜合性能與同組織狀態的TA15 相當,具有較高的強韌性和強塑性匹配;采用準β 鍛造+雙重退火熱處理,鍛件可獲得網籃組織,其綜合性能與同組織狀態的TC21 相當,具有較高的斷裂韌性和較好的塑性;采用兩相區鍛造+β 退火熱處理,其綜合性能與TC4-DT 相當,具有很高的斷裂韌性,同時有較高的強度和較好的塑性。針對TC32 合金的熱處理特性,我公司開展了β 退火后的低溫退火溫度的研究,以指導熱加工方案的制定。
采用TC32 鈦合金φ380mm 規格圓棒材,測定其相變點溫度為Tβ=(908±3)℃。使用鋸床下φ380mm×100mm的棒料,按照某標準要求對棒料進行熱處理(880℃,保溫2h,空冷;550℃,保溫6h,空冷)。熱處理后,顯微組織如圖1 所示,低倍組織如圖2 所示,室溫力學性能見表1,高溫拉伸性能見表2。
圖1 原材料熱處理前和熱處理后顯微組織
圖2 原材料熱處理后低倍組織
表1 原材料熱處理后的室溫力學性能
表2 原材料熱處理后的高溫拉伸性能
用φ380mm×85mm的棒料,沿原材料十字中心一分四均勻鋸開,加工出特定規格坯料4 件,并標記編號(1-B,2-B,3-B,4-B),如圖3 所示。
圖3 試驗用棒料鋸料示意圖
⑴加熱:選用高溫電爐(II 類爐及以上,爐溫均勻性精度±5℃)進行鍛造前加熱,加熱參數按圖4所示;
圖4 鍛造加熱曲線
⑵鍛造:鍛造設備選用1000t 快鍛,將厚度85mm下壓至50mm(鍛造變形量約40%),鍛后空冷,并用鋼印打上原有標識。
⑴高溫退火:Tβ-30℃保溫75min 后,隨爐升溫至Tβ+15℃保溫35min,冷卻方式:空冷,加熱曲線按圖5 所示;
圖5 β 退火高溫加熱曲線
⑵選用中溫電爐(Ⅲ類爐及以上,爐溫均勻性精度±10℃)進行低溫退火,保溫時間及加熱溫度按表3 所示,低溫退火后空冷。
表3 鍛造溫度試驗試塊鍛造前加熱制度
鍛件理化項目按表4 所示,取樣位置按圖6 所示。
圖6 β 退火試驗理化檢測取樣圖
表4 工藝試驗理化檢測項目表
試塊經過4 種溫度的低溫熱處理后,得到的顯微組織如圖7 ~圖10 所示。經β 退火熱處理的TC32鈦合金顯微組織為片層組織特征,具有較大的β 晶粒,在β 晶粒內存在不同取向的由α 片層構成的α 集束。在不同低溫退火溫度情況下,顯微組織未出現明顯差異。
圖7 β 退火試驗編號1-B 對應的顯微組織
圖8 β 退火試驗編號2-B 對應的顯微組織
圖9 β 退火試驗編號3-B 對應的顯微組織
圖10 β 退火試驗編號4-B 對應的顯微組織
試塊經4 種溫度的低溫熱處理后,準β 退火試驗拉伸性能理化檢測結果見表5,從圖11 可以看出,4 種溫度的低溫熱處理下室溫拉伸滿足標準要求,富裕量大。而且根據室溫抗拉強度和塑性的變化規律,可以看出低溫熱處理溫度在560℃左右時強塑性匹配較好。
圖11 準β 退火試驗1/4 厚度處橫向平均室溫力學性能折線圖
表5 準β 退火試驗拉伸性能理化檢測結果
圖12 為不同溫度的低溫熱處理對平均室溫沖擊性能的影響,可以看出隨著溫度的升高,試塊的沖擊性能先升高后降低,表明在560℃低溫熱處理時得到了較高的沖擊韌性。
圖12 準β 退火試驗1/4 厚度處橫向平均沖擊性能折線圖
試樣經不同溫度低溫熱處理后,1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能如圖13 所示,在同一取樣位置處,520℃熱處理溫度下,平均高溫塑性值最高;580℃熱處理溫度下,平均高溫塑性值出現較大幅度下降,強度值變化規律不明顯。在不同取樣位置處,1/4 取樣厚度處和1/2 取樣厚度處力學性能變化規律基本一致,且均符合標準要求。
圖13 準β 退火試驗1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能折線圖
試樣經不同熱處理方式冷卻后,斷裂韌性檢測結果如表6 所示,試塊1-B 的斷裂韌性達到99MPa ·m1/2以上,試塊2-B 的斷裂韌性達到100MPa·m1/2以上,試塊3-B的斷裂韌性達到101MPa·m1/2以上,試塊4-B的斷裂韌性達到103MPa·m1/2以上,可滿足標準要求的80MPa·m1/2。
表6 準β 退火試驗斷裂韌性檢測結果
⑴經過β 退火后,TC32 合金的顯微組織形態為片層組織,不同低溫退火溫度對組織形態的影響不大;
⑵經過β 退火后,不同低溫退火溫度對TC32合金的室溫性能和高溫性能影響不明顯,采用560℃進行低溫退火時可獲得較理想的綜合性能。