稀有金属 2004,(01),286-288 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.072

精锻及热处理工艺对TC11钛合金棒材显微组织的影响

李渭清 蔡建明

宝鸡有色金属加工厂,宝鸡有色金属加工厂,北京航空材料研究院 陕西宝鸡721014 ,陕西宝鸡721014 ,北京100095

摘 要：

研究了精锻及热处理工艺对TC11合金棒材显微组织的影响。试验结果表明 :TC11合金棒材显微组织中长条α及大块α相的产生 , 是由于原始坯料组织粗大及不均匀造成的 , 长条α相或粗大α相具有组织“遗传性” , 在“α +β/ β”相变温度以下加热 , 多火次大变形量锻造 , 很难将其消除 , 只能使其形状大小发生有限程度的改变

关键词：

TC11钛合金;棒材;锻造工艺;热处理;组织;

中图分类号： TG156

收稿日期：2003-09-30

Effect of Finish Forge and Heat-Treatment on Microstructure of TC11 Alloy Bars

Abstract：

The effects of finish forge and heat treatment on microstructure of TC11 alloys were examined. The result shows that the formation of agglomerate α and strip α in the microstructure of TC11 alloy bars is the reason of the coarse structure and in homogeneity of the ingot and the agglomerate α and strip α have structure heredity, the process of heating in subtransus temperature and multi passes forging is hard to elimilate the structure, but can only change their shape and size in very limited extent.

Keyword：

TC11 alloy; bars; forging process; heat treatment; structure;

Received： 2003-09-30

TC11合金属“α+β”型两相钛合金, 设计使用温度为500 ℃, 其综合性能良好 ^[1] , 在我国航空领域获得了成功的应用, 但是近年来其高倍组织中出现的长条α相或大块α相, 严重地影响了TC11合金在航空部门的广泛使用。 我国国家军用标准 ^[2] , 对TC11合金高倍组织中的初生α相的数量和尺寸大小按叶片的用途不同分别要求为: 转子叶片用棒材组织中的初生α相的含量不低于30%, 少量长条α相尺寸应不超过0.06 mm; 静子叶片用棒材组织中初生α相的含量不低于25%, 少量长条α相的尺寸应不超过0.08 mm。 我国军标对钛合金显微组织的要求和国外钛合金标准相比, 有许多相同或相似之处, 比如: 要求在热加工过程中将原始β晶界破碎, 不出现连续网状α相等, 但是, 我国国家军用标准同美国的AMS, MIL, BMS, 欧洲4国及俄罗斯OCTI标准 ^[3] 相比, 主要有以下几方面差异:

(1) MiL-F83142A (USAF) 中要求拉长α相在长度方向上不超过0.08英寸 (0.203 mm) , BM7-247C在MiL-F-83142A标准的基础上对拉长α相的要求又降低了, 其规定α相在长度方向上不超过0.1英寸 (0.254 mm) , 俄罗斯的OCTI90006-86标准对直径小于Φ 40 mm的棒材允许使用的显微组织中, 很明显地可以看到存在少量的原始β晶界α相 (图No2 (4) 呈长条状) 。

(2) 我国国家军用标准对钛合金组织中初生α相含量的上限没有规定MiT-F-83142A (USAF) 标准中要求等轴α相聚集区含量在15%~45%, BMS7-247C标准中要求等轴α相聚集区含量在15%~70%。

尽管我国国家采用标准对TC11合金棒材组织中初生α相的含量和尺寸大小与国外标准相比较严格, 但是, 这对作为航空发动机压气机叶片使用的安全性及可靠性无疑是有好处的。 目前, 该标准仍然作为判定生产厂家产品是否合格的唯一依据, 因此, 改善和提高TC11合金棒材组织均匀性是生产厂家赢得市场的唯一途径。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为3次真空电弧炉熔炼的TC11合金铸锭 (Φ 700 mm) , 其化学成如下表所示, 用金相法测得铸锭相变温度范围为: 990~1000 ℃。

将Φ 700 mm 3次真空电弧炉熔炼的TC11合金铸锭, 扒皮及切掉冒口后, 在“α+β/β”相变温度

表1 铸锭化学成分 (%, 质量分数) Table 1Chemical components of TC11 alloy ingot (%, mass fraction)

位置	Al	Mo	Zr	Si	杂质≤
					Fe	C	N	H	O	单项	杂质容量
顶部	6.5	3.4	1.7	0.30	0.05	0.01	0.01	0.004	0.11	0.10	0.30
中部	6.5	3.5	1.8	0.29	-	-	-	-	-	-	-
底部	6.5	3.4	1.8	0.28	0.05	0.01	0.01	-	0.11	-	-

以上加热开坯锻造, 经3150 t水压机多火次锻造至Φ 170 mm滚圆, 然后, 在“α+β/β”相变温度以下经1250 t水压机多火次锻造至Ф 120 mm甩圆棒坯, 最后, 经SXP-13精锻机在“α+β/β”相变温度以下锻造至Ф 70 mm棒坯。

1.2 试验方法

从同一根Ф 70 mm棒坯上切取4根相同长度的坯料, 将其中的3根在1020 ℃保温1 h, 按不同的冷却方式分别采用炉冷、 空冷及水淬而得到相应的A态、 B态及C态3种状态坯料, 把未热处理的坯料称为D态。 将4种坯料按相同的加热及锻造工艺在“α+β/β”相变温度以下经SXP-13精锻机多火次锻造至 Ф 30 mm棒材。

2 结果与分析

图1为Φ 70 mm, 坯料β热处理前的高倍组织, 可以看出, 坯料组织中初生α相的形貌、 数量、 大小及均匀性都较好, 说明坯料的制取工艺合理。 图2 (a) ~ (c) 分别为β热处理炉冷、 空冷、 水淬后的高倍组织, 可以看出, 经过炉冷缓慢冷却后, 魏氏体组织较粗大 (图2 (a) ) , 空冷后组织为针状α+β转马氏体组织 (图2 (b) 。 水淬后其心部为少量α′马氏体+β转变组织, 中部为α′马氏体 (图2 (c) ) , 边部为β亚稳组织。 由热处理前后组织的对比测得TC11合金淬透层约为25~30 mm, 空冷及水淬后“白色条块”组织并不是长条α相及大块α相, 而是由于晶体不同晶面对酸的腐蚀程度不同而引起的一种伪晶现象.图3 (a) ~ (d) 分别为Ф70 mm规格不同状态的坯料经SXP-13卧式精锻机在“α+β/β”相变温度以下锻造至Ф45 mm棒材的高倍组织, 从其高倍组织可以看出: 炉冷后组织均匀性很差, 存在大块α相及长条α相 (图3 (a) ; 空冷后组织中初生α相形貌较差, 存在未破碎的原始β晶界α相 (图3 (b) ) ; 水淬后组织中细条状α相

图1 Ф70 mm棒材高倍组织 500× (D 态) Fig.1 Microstructures of Φ70 mm bars 500× (state D)

图2 Ф 70 mm棒材β热处理后的高倍组织 (500×) (a) 炉冷 (A态) ; (b) 空冷 (B态) ; (c) 水淬 (C态) Fig.2 Microstructures of Φ70 mm bars after B heat treatment

图3 Ф45mm棒材不同状态的高倍组织 (500×) (a) 炉冷 (A态) ; (b) 空冷 (B态) ; (c) 水淬 (C态) ; (d) 未β热处理 (D态) Fig.3 Microstructures of Φ45 mm bars in different treatment conditions

较多, 呈网兰状, 使其均匀性较好 (图3 (c) ) ; 未β热处理组织中初生α相的形貌及均匀性很好 (图3 (d) ) , 已符合国家军用标准要求。

图4 (a) ~ (d) 分别为不同组织状态坯料经SXP-13卧式精锻机在“α+β/β”相变温度以下锻造至Ф30 mm棒材的高倍组织。 从其高倍组织可以看出: 炉冷后组织的均匀性仍很差, 显微组织中存在长条α相及块状α相 (图4 (a) ) ; 空冷及水淬后的显微组织有了较明显的改善, 原始β晶界上长条α相消失, 等轴初生α相数量增多 (图4 (b) ) 及 (图4 (c) ) ; 未β热处理组织中初生α相的形貌、 大小、 数量及均匀性都很好 (图4 (d) ) , 完全符合国家军用标准。

图4 Ф30 mm棒材不同状态的高倍组织 (500×) (a) 炉冷 (A态) ; (b) 空冷 (B态) ; (c) 水淬 (C态) ; (d) 未β热处理 (D态) Fig.4 Microstructures of Φ30 mm bars in different treatment conditions

3 结 论

1. TC11合金棒材显微组织中长条α相及大块α相的产生, 是由于原始坯料组织粗大及不均匀造成的。 精锻机对β热处理后空冷及水淬坯料的显微组织具有较明显的改善作用, 但是对β热处理后炉冷坯料的显微组织的改善作用很有限。

2. 长条α 相及大块α相具有组织“遗传性”, 在“α+β/β”相变温度以下加热多火次大变形量锻造, 很难将其消除, 只能使其形状大小发生有限程度的改变。

3. β热处理后空冷及水淬坯料显微组织中出现的“白色条块”组织, 是一种伪晶现象, 并不是长条α相及大块α相。

参考文献

[1] 　张　翥.新型钛合金的发展及应用[J].金属学报.35.

[2] 　中华人民共和国国家军用标准.航空发动机压气机叶片用TC11合金棒材 (GJB49488) , 国防科学技术工业委员会.

[3] 　蔡建明.　国内外钛合金棒材标准调研报告 (内部资料) .北京航空材料研究院.