稀有金属 2002,(04),271-276 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.04.008
Ti-18高温高强钛合金研制
张翥 惠松骁 李宗科 陈占乾 何书林
北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,宝鸡有色金属加工厂,宝鸡有色金属加工厂,宝鸡有色金属加工厂 北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,宝鸡721014 ,宝鸡721014 ,宝鸡721014
摘 要：
介绍了高温高强钛合金Ti 18 (Ti 6Al 4Mo 4Zr 2Sn 1W 0 .2Si) 的试制过程 , 对该合金的性能与组织关系进行了讨论。结果表明 , Ti- 18合金在常温和高温下均具有优异力学性能 :Φ35 0mm饼材 4 0 0℃ / 10 0h持久强度在80 0MPa以上 , 4 0 0℃ / 10 0h/ 380MPa下的残余应变为 0 .0 4 8% , 4 5 0℃时的断裂强度大于 10 0 0MPa , 延伸率δ5在12 %左右。同时该合金具有良好的热稳定性。研究显示 , Ti 18合金组织类型的差异对高温性能影响不大 , 该合金半成品可采用等轴组织的变形工艺。双重退火可充分发挥Ti 18合金的热强性潜力 , 是合理的热处理制度。
关键词：
高温高强钛合金 ;Ti18钛合金 ;机械性能 ;
中图分类号： TG146.23
收稿日期： 2002-01-10
基金： 国防科学技术工业委员会“十五”重点资助项目;
Preparation and Properties of Ti-18 High Temperature andHigh Strength Titanium Alloy
Abstract：
The trial production of a high temperature and high strength titanium alloy , Ti 18 (Ti 6 Al 4 Mo 4 Zr 2 Sn 1 W 0.2 Si) was introduced, and the relationship between the mechanical properties and microstructure of Ti 18 alloy was discussed. The results show that both the room and the high temperature mechanical properties of Ti 18 titanium alloy are excellent. The durative strength of the Φ350 mm disk at 400 ℃ for 100 h is above 800 MPa, the remain strain of the disk sample is 0.048 % under the condition of 400 ℃/100 h/380 MPa, and the ultimate tensile strength value of the sample is more than 1000 MPa at 450 ℃. At the same time the elongation ( δ 5) value is about 12%, and the alloy also has the good thermal stability.The research shows that the influence on high temperature properties of Ti 18 alloy caused by difference microstructure type is small, and the semi finished product of Ti 18 alloy may be made by hot processing by which the equiaxed microstructure can be obtained.The hot strengthening potential of Ti 18 alloy can be fully developed by duplex annealing as a reasonable heat treatment technology.
Keyword：
High temperature and high strength titanium alloy; Ti 18 titanium alloy; Mechanical property;
Received： 2002-01-10
钛合金是目前条件下所能得到的比强度最高的材料之一, 它具有一系列优异特性, 如优良的耐蚀性、低温特性等等, 因此, 西方发达国家美国、英国、俄罗斯等, 其钛合金产品都得到了相当广泛的应用。按使用环境, 钛合金大致可分为常温结构钛合金和高温钛合金 (即热强钛合金) 二类。在某些环境下要求钛合金不但要有优良的室温力学性能、加工性能, 还要在一定的温度 (300～650 ℃) 条件下保持相当强度和塑性。美、英等西方国家先后研制了 Ti-6242S
[1 ]
, IMI829
[2 ]
等钛合金, 用于一些高温使用的零、部件生产, 其工作温度都不超过 550 ℃, 目前国内已有性能与之类似的钛合金。但随着温度要求的不断提高, 这些钛合金材料的性能尤其是高温性能难以满足环境的苛刻要求。
本试验研制了Ti-18钛合金, 其名义成分为Ti-6Al-4Mo-4Zr-2Sn-1W-0.2Si, 它具有优异的综合性能, 各项力学性能指标均达到或超过现有国外同类材料水平, 可作为热强钛合金的理想选材。
1 实验方法
采用ZH-200电弧炉经三次真空熔炼得到约 200 kg 半工业化铸锭一支。用大吨位水压机进行铸锭开坯, 多火次锻造得到不同尺寸规格的大棒 (Φ120 mm) 和大截面饼材 (Φ350 mm) ;精锻和轧制得到Φ20 mm小棒。测试了Ti-18钛合金的成分、力学性能, 用透射电镜、扫描电镜、X射线衍射分析、光学显微镜分析等方法研究了材料的工艺-组织-性能关系。
2 实验结果与讨论
2.1 合金熔炼与成分
2.1.1 合金熔炼
Ti-18合金中含有重量比 1% 的 W元素和 4% 的 Mo 元素, 这两种元素的比重和熔点 (t
W 熔
W 熔
=3423 ℃, t
Μ o 熔 =2625 ℃) 远高于作为基体材料的钛 (t
Τ i 熔 =1665 ℃) , 同时, 合金中还有含低熔点元素 Al、Sn, 合金化时它们与钛不容易形成均匀的合金, 这是熔炼过程中需要克服的难点问题。
采用中间合金的方式来加入这些元素是一个较好的解决办法。试验中研制了一定成分的Al-Mo-W-Ti 中间合金, 经合理的布料混料后压制电极。熔炼时采用较大的电流和较高的真空度, 这样得到的实际效果较好。
2.1.2合金成分及β转变点
表1显示该合金锭的成分均在目标控制范围内, 铸锭上、中、下不同部位的成分是均匀的。
表1 Ti-18合金铸锭的实测成分% (质量分数)
Table 1 Chemical composition of Ti -18 ingot
Al
Mo
Zr
Sn
W
Si
6.55
3.96
3.56
1.29
0.95
0.2
6.49
3.88
3.54
1.29
0.99
0.2
6.57
3.71
3.55
1.38
0.96
0.2
6.54
3.85
3.55
1.32
0.97
0.2
6.0～
3.5～
3.0～
1.0～
0.4～
0.1～
在铸锭截面进行了9点取样分析 (图1) , 进一步分析W, Mo元素的分布均匀性。分析结果见表2。
图1 铸锭截面 (Φ285 mm)
Fig .1 Ingot cross-section (Φ285 mm )
表2 W, Mo元素在冒口横截面上的分布 (%, 质量分数)
Table 2 Distribution of W and Mo chemical element in cross section
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0.96
0.93
0.91
0.96
1.00
0.98
0.96
0.97
1.01
4.17
4.07
4.07
4.27
4.34
4.38
4.32
4.34
4.31
成分分析结果表明, 该熔炼工艺较好的解决了W、Mo等合金元素的加入难点问题。
对铸锭的高、低倍组织进行了检验, 没有偏析、夹杂、疏松、孔洞等冶金缺陷, 因此, 该半工业化锭的熔炼工艺是合理可行的。图2为该锭的铸态高倍组织。
用金相法测定了该铸锭的相变点, 范围在 965～975 ℃之间。
2.2 合金的室温与高温力学性能
Ti-18合金具有优良的室温高温综合机械性能, 在高温 (450～550 ℃) 环境下仍然保持了很高的强度塑性配合。温度对合金力学性能的影响见图3。
图2 Ti-18合金的铸态组织
Fig .2 Casting microstructure of Ti -18 alloy
图3 温度对合金力学性能的影响 (Φ20 mm棒材)
Fig .3 Effect of temperature on mechanical properties of Ti -18 alloy (Φ20 mm bar )
由图3可见, 400 ℃以下强度随温度升高近似呈线性下降, 在400 ℃时屈服强度下降到840 MPa, 此后直到550 ℃区间, 屈服强度基本保持不变, 而σ b 在 450～550 ℃ 区间则持续降低, 二者之间的差值 (σ b -σ 0.2 ) 在400 ℃达到最大, 约 187 MPa。屈服强度在400 ℃以下温度区间下降较快与间隙原子 (如氧等)
[3 ]
、空位、杂质界面等缺陷的影响有关, 延伸率在整个温度区间的变化不是十分显著, 室温时为 15%, 550℃ 时为 19%。
Ti-18合金具有良好的高温持久和蠕变性能 (表3) , 这两项性能主要取决于合金的化学成分, 同时也与该合金的熔炼和锻造热处理工艺密切相关。分析表明, 合金元素如钨、钼等的加入, 不但造成了固溶强化作用, 还使层错能降低, 易形成扩展位错, 使得位错难以运动 (交滑移、割阶、攀移) , 从而提高合金在高温下的蠕变性能;再加上合金中硅化物在界面上或缺陷处的析出, 使得界面移动更加困难, 这对提高合金的热强性尤其是持久强度是非常有利的。
表3 Ti-18合金的持久和蠕变性能
Table 3 Durative property and creep property of Ti -18 alloy
Φ20 mm 棒材 (400 ℃)
Φ20 mm棒材 (400 ℃, 380 MPa, 保持100 h) ε =0.032%
2.3 热变形工艺对合金室温高温性能的影响
不同的热变形工艺可以得到不同类型的组织。试验中比较了三类典型组织, 即魏氏组织、网篮组织和等轴组织对合金室温高温性能的影响。见图4, 其中 (a) , (b) 为单相区锻造, (c) 为两相区锻造。
图4 (a) 中魏氏组织较细小, 并保留原始β晶界。图4 (b) 为编织状网篮组织。图4 (c) 为等轴α +转变β 组织。
图4 Ti-18合金的典型组织
Fig .4 Typical structure of Ti -18 alloy
(a) 魏氏组织; (b) 网篮组织; (c) 等轴组织; (d) 魏氏组织扫描电子象形貌
2.3.1 组织类型对室温及高温拉伸性能的影响
表4中数据显示网篮组织和等轴组织的室温和高温拉伸性能十分接近, 而魏氏组织的断面收缩率 (ψ) 值则明显偏低。魏氏组织塑性低是其粗大集束组织造成的 (见图4 (d) 图中为混合型的魏氏组织形貌) , 它们的变形时可沿滑移面同时进行
[4 ]
, 因此其塑性尤其是断面收缩率降低。
2.3.2组织类型对热稳定性的影响
热稳定性影响包括两方面, 即高温长时的组织稳定性和高温下合金抗氧化的能力
[5 ]
。在试验中, 分别从这两方面出发研究了组织类型对它们的影响, 见表5。
表5中数据以及高倍组织观察表明, 组织类型对热稳定性没有影响。表5与表4中室温性能相比看出Ti-18合金经高温长时暴露后基本上没有塑性损失, 说明该合金在 450 ℃ 具有良好的高温稳定性。
2.3.3 组织类型对硬度的影响
研究表明, Ti-18合金的维氏硬度对组织类型敏感, 这是由于合金中各相 (α、β) 具有不同的硬度, 即使同为α相, 由于初生相和次生相中合金成分的差异, 其硬度值也存在差别, 而网篮组织和等轴组织中
表4 Ti-18合金的室温高温拉伸性能 (Φ20 mm 棒材)
Table 4 Tensile properties of Ti -18 alloy at room and high temperaure (Φ20 mm bar )
温度/℃
σ b /MPaσ 0.2 /MPaδ 5 /%ψ /%
20
1300
1170
12
19
20
1300
1200
11.5
39.5
20
1305
1185
13.5
46.5
表5 在450 ℃空气中暴露100 h后的室温力学性能
Table 5 R.T. mechnical properties of Ti -18 alloy after exposing in air at 450 ℃ for 100 h
σ b /MPaσ 0.2 /MPaδ 5 /%ψ /%
魏氏
带氧化皮
1295
1160
12
14
带氧化皮
1290
1185
13.5
32.5
带氧化皮
1310
1185
13.5
42.5
各相的分布明显不同, 因此, 其对应的维氏硬度也有差别, 进而推断, 对同一个样品, 当压痕尺寸越大时, 这种不同组织类型造成的硬度值差值就越小, 这一点由二类组织的布氏硬度测量值可以说明, 它们都在340～375 HB之间, 其分布随机与组织类型无关。根据测定的维氏硬度数据做回归分析, 发现不同的组织类型有着不同的强度-硬度关系:
网篮组织:σ b (室温) =0.0024HV2 -0.5094HV+1076, r =0.9985
等轴组织:σ b (室温) =-0.061HV2 +55.127HV-11152, r =0.9884
相关系数
r = [ 1 - ( ∑ ( Y i - ? Y i ) 2 ) ( ∑ Y 2 i ) - ( ∑ Y i ) 2 / n ) ] 1 / 2
利用上述关系对不同规格的棒、饼材室温性能进行了预测, 结果吻合的非常好, 这为以后工作带来了很大方便。
2.3.4 两种组织类型的比较
对一般的两相钛合金来说, 网篮组织拥有较好的持久和蠕变性能, 而等轴组织的疲劳性能略高一些
[6 ]
, 但从Ti-18合金的试验结果来看, 组织类型对热强性能的影响并不显著, 这是该合金的热强性机理所决定的, 有关 Ti-18合金热强性机理的讨论将在今后的工作中进行。由于等轴组织在生产工艺上具有较好的稳定性, 因此该合金半成品多采用此类组织。
2.4 Ti-18合金的热处理
Ti-18合金属与以α相为主的马氏体型两相钛合金, 可以通过热处理进行强化。
表6 不同热处理制度的力学性能
Table 6 Mechnical properties of samples treated by various heat treatment
热处理制度
σ b /MPaσ 0.2 /MPaδ 5 /%ψ /%
700℃/1h AC
1250
1220
12
39
700℃/1h AC
1030
930
14
43
对表6中数据进行分析可知, 双重退火较之单一退火有着更好的综合机械性能, 双重退火的高温退火温度可选在850～950 ℃之间, 如超过相变点退火, 则室温塑性大大降低。第二次退火的温度范围在500～650 ℃之间, 可保温较长时间, 温度再高则析出相尺寸增大, 使持久强度降低。两次退火都是在空气中冷却。
图5中显示不同第一次退火温度对合金形貌的影响, 这些样品的图像分析和X射线衍射分析结果表明合金中β相的含量在 10%～20 % 之间;随着退火保温温度的变化, α相、β转相尺寸形状以及β转中析出α相的尺寸都有较大差别, 由表6可见这种差别对机械性能的影响是显著的。
上述结果说明双重退火对Ti-18合金来说是一种较理想的热处理制度, 通过双重退火热处理可以调整各相的尺寸形貌, 使它们达到一个最佳比例尺寸, 充分发挥合金的热强性潜力。
图5 不同温度双重退火后的电子像形貌 (a) 850 ℃双重退火; (b) 925 ℃双重退火
Fig .5 SEM micrographs of Ti -18 alloy at different duplex-annealing temperature
2.5 Ti-18钛合金与其他几种钛合金性能比较
Ti-18合金具有优异的综合机械性能, 是目前高温钛合金中性能最好的, 这可从与其他钛合金的对比中可知。
表7 几种钛合金性能的比较 (均为强化热处理)
Table 7 Comparison of some titanium alloy's properties (strengthen heat treatment )
合金类别
国家
t /℃σ b /MPaσ 0.2 /MPaδ 5 /%ψ /%持久性能
蠕变性能
Ti-6242
美国
20
1100
1015
19
46
300 ℃/800 MPa/500 h/未断
300 ℃/632 MPa/500 h/残余变形0.1%
美国
20
1240
1220
18
48
400 ℃/685 MPa/大于
400 ℃/355 MPa/100 h/ (0.12 %, 0.158 %)
[7] 俄罗斯
20
1170
1070
10
30
450 ℃/735 MPa/大于
450 ℃/450 MPa/100 h/残余变形 0.2%
[8] 英国
20
<1100
830
8
540 ℃/300 MPa/100 h/残余变形0.1%
中国
20
1260
1143
12
30
400℃/800MPa/大于100 h未断
400 ℃/380 MPa/100 h/残余变形 0.048%
3 结论
1. Ti-18合金具有优异的热强性能, 是目前高温钛合金中性能最好的合金之一。
2. Ti-18合金的组织类型 (网篮组织、等轴组织) 对热强性影响不大, 合金半成品采用等轴组织的变形工艺会获得良好的组织工艺稳定性。
3. Ti-18合金的组织类型与维氏硬度之间存在对应关系:
网篮组织:σ b (室温) =0.0024HV2 -0.5094HV+1076
等轴组织:σ b (室温) =-0.061HV2 +55.127HV-11152
4. 双重退火 (850～950 ℃+500～650 ℃) 可充分发挥Ti-18合金的热强性潜力, 是合理的热处理制度。
参考文献
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[8] 陈冠荣, 陈 远, 时 均等.冶金和金属材料.北京:化学工业出版社, 2001
