文章编号：1004-0609(2010)S1-s0104-03

热加工工艺对BTi-6431S钛合金厚板组织与性能的影响

杨  伟¹，王  俭¹，王红武¹，董震键¹，王小翔^{1, 2}，王韦琪^{1, 2}

 (1. 宝钛集团有限公司，宝鸡 721014；2. 宝鸡钛业股份有限公司，宝鸡 721014)

摘  要：研究两种热加工工艺对BTi-6431S高温钛合金厚板显微组织和力学性能的影响。结果表明，(α+β)轧制的厚板组织类型为类似于等轴的两相区加工组织，β轧制的该合金厚板的显微组织为典型的细片状魏氏组织，该组织厚板的室温和高温强度明显高于α+β轧制厚板的，而塑性稍低；该合金厚板在650 ℃时具有较高的高温瞬时强度，可用于宇航工业650 ℃短时用结构件的制作。

关键词：BTi-6431S钛合金；厚板；高温强度；显微组织

中图分类号：TG 146.2⁺3　　     文献标志码：A

Effect of hot working process on microstructure and properties of BTi-6431S titanium alloy plate

YANG Wei ¹, WANG Jian¹, WANG Hong-wu¹, DONG Zhen-jian¹, WANG Xiao-xiang^{1, 2}, WANG Wei-qi^1,2

 (1. Baoti Group Co., Ltd., Baoji 721014, China; 2. Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China)

Abstract: The effects of two hot working processes on microstructure and properties of BTi-6431S high temperature titanium alloy plate were studied. The results show that the microstructure of plate in α+β rolling is similar to equiaxed two-phase working microstructure, and the microstructure in β rolling is typical fine lamellar Widmannstaetten structure. The strengths in β rolling at room temperature and high temperature are obviously higher than those in α+β rolling, while the ductility of plate in β rolling is slightly lower. The plates have higher high-temperature transient strength at 650 ℃ and can be used to make short time structure components at 650 ℃ for aerospace industry.

Key words: BTi-6431S titanium alloy; plate; high-temperature strength; microstructure

我国自主研制开发的BTi-6431S钛合金名义成分为Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-3Nb-3Mo-1W-0.2Si。它是一种使用温度在650~700 ℃的短时高温钛合金，其主要的强化机制是通过α稳定元素Al和β相的固溶强化。加入中性元素Zr和Sn以及β相稳定元素Nb、Mo和W，以改善工艺性能。该合金的名义Al当量为8.9，Mo当量为4.6，合金类型属高铝当量的马氏体型两相钛合金，具有良好的热强性和可焊性，并具有较好的加工塑性和工艺塑性。与BT18Y钛合金相比，BTi-6431S钛合金中Al当量不变，但提高了高熔点元素Mo含量和Nb含量，同时还增加了1%的W，相对提高了3.6%的Mo当量，通过增加高熔点元素来提高Mo当量，因此，提高了合金的高温强度，同时也改善了合金的加工塑性和工艺塑性。本文作者探讨了热加工工艺对BTi-6431S钛合金厚板组织与性能的影响，通过分析比较不同热工艺下厚板的室温和高温(650 ℃)性能及组织特征，为该合金的批量化生产提供一定的理论基础和工艺制订参考。

1  实验

本实验选用经2次真空自耗电弧熔炼的BTi-6431S钛合金d110 mm铸锭，除Zr元素采用纯金属加入外，高熔点元素W、Mo、Nb和低熔点元素等均采用中间合金形式加入，这保证了铸锭的高质量。                 

该合金的相转变温度为990~1 000 ℃。铸锭在1 180 ℃开坯锻造，最终在两相区制备成板坯，板坯为α＋β两相区加工组织。板坯分别采用β和α＋β两种加热温度轧制成20 mm厚的板材。

为比较热加工工艺对组织性能的影响，分别对两种工艺下的R态板材取样测试其室温拉伸，高温拉伸，650 ℃持久和蠕变性能。金相试样从R态板材上切取，腐蚀液为HNO₃、HF和H₂O的混合液，显微组织在Axiovert200MAT光学显微镜上观察。

2  结果与分析

2.1  两种轧制工艺厚板的显微组织

BTi-6431S钛合金的Mo当量为4.6，属高铝当量的马氏体型两相钛合金，两种轧制工艺下厚板显微组织如图1所示。从图1可以看出，板材经(α＋β)相区温度成品轧制后，其组织为典型的α+β转变组织，初生α呈条状和等轴状形貌。β轧制工艺下，板材组织为细片层的魏氏组织，有不连续的晶界α，为典型的β加工组织^[1]。

图1  不同轧制工艺BTi-6431S厚板的显微组织

Fig.1  Microstructures of BTi-6431S alloy plate under different rolling processes: (a) Rolling at (α+β) temperature; (b) β rolling

2.2  两种轧制工艺厚板的室温力学性能

两种轧制工艺厚板的室温力学性能如图2所示。从图2可以看出，板材经(α＋β)相区温度轧制后，其室温抗拉强度(R_m)在1 140 MPa左右，屈服强度(R_p0.2)在1 020 MPa左右，伸长率(Z)约10%，断面收缩率(A₅)约26%；β轧制厚板的室温抗拉强度在1 220 MPa左右，屈服强度在1 080 MPa左右，伸长率约为6.5%，断面收缩率约为12%。相比较而言，β轧制厚板的室温强度高于(α＋β)轧制厚板的，但其塑性明显降低。这也符合两种工艺厚板显微组织对室温力学性能的影响规律，即魏氏组织与等轴组织相比较，其室温强度相对较高，但室温塑性较低^[2]。

图2  不同轧制工艺BTi-6431S厚板的室温力学性能

Fig.2  Mechanical properties of BTi-6431S alloy plate under different rolling processes at room temperature

2.3  两种轧制工艺厚板的高温力学性能

图3所示为两种轧制工艺厚板650 ℃高温力学性能的比较。从图3可以看出，板材经(α＋β)相区温度轧制后，其650 ℃高温抗拉强度在620 MPa左右，屈服强度在560 MPa左右，伸长率约28%，断面收缩率约80%；β轧制厚板的650 ℃高温抗拉强度在750 MPa左右，屈服强度在650 MPa左右，伸长率约32%，断面收缩率约90%。相比较而言，β轧制厚板的650温强度高于(α＋β)轧制厚板的，其高温塑性也相对较高。

测试两种工艺下厚板在650 ℃和500 MPa持续30 min的短时蠕变性能，(α＋β)轧制厚板的塑性伸长率为20%左右，β轧制厚板的塑性伸长率为3%~4%。可以看出，(α＋β)轧制厚板的塑性伸长率明显大于β轧制厚板的，这与两种工艺厚板的显微组织特征一致。(α＋β)轧制厚板的显微组织为α＋β转变组织，初生α多数呈等轴状，少量为长条状，并有部分次生α；β轧制厚板的显微组织为片层状。根据相关文献^[3]，对于近α或α＋β钛合金，通过在β转变温度以上进行热处理或加工可提高蠕变强度，冷却后，形成片层α组织；相反地，当在α＋β两相区进行热加工及热处理时将形成由片状次生α(β转变组织)和球状初生α(等轴α)所组成的双态混合组织，导致蠕变阻力下降。因此，本研究结果与该文献中所研究的规律是一致的。

图3  不同轧制工艺BTi-6431S厚板高温(650 ℃)力学性能

Fig.3  Mechanical properties of BTi-6431S alloy plate under different rolling process on high temperature

3  结论

1) 对于BTi-6431S钛合金厚板，(α＋β)相区温度成品轧制后，其组织为典型的α+β转变组织，β轧制工艺下，板材组织为细片层的魏氏组织，这种组织板材室温和高温(650 ℃)强度高、高温塑性好。

2) BTi-6431S钛合金具有较好的综合性能，尤其在650 ℃时，具有较高的高温强度和短时蠕变性能，是一种新型的宇航用短时高温钛合金。

REFERENCES

[1] 王金友, 葛志明, 周彦邦. 航空用钛合金[M]. 上海: 上海科学技术出版社, 1985: 115.
WANG Jin-you, GE Zhi-ming, ZHOU Yan-bang. Aeronautical titanium alloys [M]. Shanghai: Shanghai Sciences and Technology Press, 1985: 115.

[2] 张 均, 李 冬. 高温钛合金中的α2相[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2002: 174.
ZHANG Jun, LI Dong. α₂ ordered phase in high temperature titanium alloys [M]. Shenyang: Northeast University Press, 2002: 174.

[3] LEYENS C, PETERS M. 钛与钛合金[M]. 陈振华, 译. 北京: 化学工业出版社, 2005: 27.
LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloys [M]. CHEN Zhen-hua transl. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 27.

(编辑 何学锋)

通信作者：杨  伟; 电话: 0917-3382481; E-mail: yyww1126@163.com