文章编号：1004-0609(2010)S1-s0726-04

Ti-1023钛合金改锻工艺优化

黄利军，齐立春，黄  旭

 (北京航空材料研究院，北京 100095)

摘  要：Ti-1023钛合金通过适当的变形，可达到组织性能的良好匹配。设计了3种改锻工艺方案，试样经过改锻后测试其宏观/微观组织、拉伸性能和断裂韧性。结果表明：第1、2种工艺方案由于原始β晶粒尺寸偏大、晶界破碎不充分塑性很低；综合前2种方案的第3种方案获得的钛合金的显微组织和力学性能都比较理想，而且该工艺重复性较好，可作为实际生产工艺。

关键词：Ti-1023钛合金；锻造；力学性能

中图分类号：TG 146.23　　     文献标志码：A

Deformation process optimization of Ti-1023 titanium alloy

HUANG Li-jun, QI Li-chun, HUANG Xu

 (Beijing Institute of Aeronautic Materials, Beijing 100095, China)

Abstract: The excellent combined properties could be achieved by means of proper deforming process for Ti-1023 titanium alloy. Three deforming schemes were designed, named schemes 1, 2 and 3, respectively. The micro/macro-structures were checked and mechanical properties were tested. It is shown that Ti-1023 titanium alloy deformed by schemes 1 and 2 have poor ductility for large original β grain sizes and insufficient breakage of grain boundary. Ti-1023 titanium alloy deformed by schemes 3 shows better micro/macro-structures and mechanical properties, and the process is of good repeatability. So, the process using case 3 can act as factory process.

Key words: Ti-1023 titanium alloy; forging; mechanical properties

Ti-1023钛合金是一种高强、高韧、损伤容限型钛合金，具有优良的综合性能^[1-2]，与Ti-6Al-4V的锻造流变应力比较，在使用相同的锻造设备和模具时，Ti-1023合金更易于成形^[3]。但是，如果采用的工艺不适当，例如开坯、改锻温度控制不当，变形量不足或太大等，则导致强度—塑性—韧性不能很好地匹配，要么强度偏高、塑性偏低，要么强度、塑性很好，韧性达不到使用要求等。

目前，对Ti-1023合金变形工艺的研究主要集中在加工图、有限元模拟及等温锻造等方面^[4-8]。这些工作忽略了一个重要问题，即用于最终加工锻件或最终变形前的材料有复杂的加工历史，不是简单的一步变形就能保证组织性能合格。研究工作表明，改锻对保证组织性能是非常重要的^[9]。本文作者对Ti-1023钛合金开坯后的改锻火次、改锻温度及变形程度与组织性能关系进行了详细研究，给出了优化后的改锻工艺，并进行了工艺验证。

1  实验

1.1  原材料

试验用原材料为北京航空材料研究院VAR电弧炉熔炼的d 380 mm铸锭。为了破碎粗大的铸造枝晶

组织、焊合内部疏松和气孔，铸锭经过1 200 ℃开坯后进行改锻试验。其化学成分如表1所示，头部相变点为808℃。

表1  Ti-1023钛合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of Ti-1023 titanium alloy (mass fraction, %)

1.2  改锻试验

改锻的目的是通过控制变形温度和变形量，结合热处理细化晶粒、消除或减少网状晶界α、控制晶粒内部初生α相的形态和比例，达到改善材料综合性能的目的^[9]。对于Ti-1023钛合金，通过充分的改锻来达到强度－塑性－韧性的良好匹配尤为重要。而改锻火次太多、加热温度变化频繁会使生产成本的大幅度增加，因此需要通过改锻工艺试验确定最佳工艺。

在铸锭开坯的基础上制定3种变形方案，分别为方案1、方案2和方案3(见图1)。每种方案变形结束后在试料一端切取试片，经过固溶时效热处理后取样分析宏观/微观组织，组织分析在莱卡数码金相显微镜

图1  变形工艺方案

Fig.1  Deformation process schemes: (a) Scheme 1; (b) Scheme 2; (c) Scheme 3

上进行。之后切取料坯加工试样，在MTS实验机上测试拉伸性能和断裂韧度。

2  实验结果

试片1~3的宏观/微观组织如图2~4所示。其中，高倍组织取自各试片上拉伸试样的螺纹部分。拉伸性能见表2。

图2  方案1改锻的Ti-1023钛合金的宏观/微观组织

Fig.2  Macro/micro-structures of Ti-1023 titanium alloy deformed by scheme 1: (a) Macro-　structure; (b) Micro- structure

表2  各方案改锻的Ti-1023钛合金的力学性能测试结果

Table 2  Tensile properties and broken toughness of Ti-1023 titanium alloy deformed by three schemes

图3  方案2改锻的Ti-1023钛合金的宏观/微观组织

Fig.3 Macro/micro-structures of Ti-1023 titanium alloy deformed by scheme 2: (a) Macro-structure; (b) Micro-structure

图4  方案3改锻的Ti-1023钛合金的宏观/微观组织

Fig.4 Macro/micro-structures of Ti-1023 titanium alloy deformed by scheme 3: (a) Macro-structure; (b) Micro-structure

3  分析与讨论

从宏观/微观组织(图2~4)可以看出：经过方案1的改锻后，虽然晶界基本破碎，宏观组织较模糊，由于总变形量不足，粗大的原始β晶粒痕迹没有消除，显微组织不均匀，强度和断裂韧性较高，塑性很差。方案2与方案1相比，在相变点以上变形火次之前增加了一个两相区变形。目的是通过增加两相区的变形来保证后续单项区加热变形时，更容易发生再结晶，从而使单项区变形后组织更均匀，因此，减少了单项区变形之后的变形火次。结果表明：宏观组织与方案1比较无明显差别，显微组织反而晶界更明显，力学性能也没有明显改善。

方案3是前2种方案的综合，组织分析结果表明：宏观组织为毛玻璃状模糊晶，微观组织为大量球状初生α加少量棒状初生α相分布在β转变基体上的组织。拉伸强度及塑性匹配非常好。受试样尺寸限制， K_ⅠC试样不满足平面应变判据，给出的为K_Q值。

为了验证方案3的稳定性，重新下料按方案3进行变形试验，切片分析宏观/微观组织(见图5)并测试性能(见表3)。结果表明：宏观/微观组织及拉伸性能

图5  重复方案3改锻的Ti-1023钛合金的宏观/微观组织

Fig.5  Macro/micro-structures of Ti-1023 titanium alloy deformed by repeated scheme 3: (a) Macro-structure; (b) Micro-structure

表3  方案3重复改锻后Ti-1023钛合金的力学性能

Table 3  Mechanical properties of Ti-1023 titanium alloy deformed by repeated scheme 3

与方案1试验结果相当，工艺重复性较好。

4  结论

1) 改锻对Ti-1023钛合金综合性能具有较大影响。当原始β晶粒较大、变形不能充分破碎晶界α时，合金的强度偏高且塑性很差。

2) 适当的变形和热处理细化晶粒使大部分初生α球化后可达到强度、塑性、韧性的良好匹配。工艺3的2次试验结果表明：该工艺是较理想的改锻工艺。

REFERENCES

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[9] 黄利军, 鲍如强, 黄 旭, 郭 灵. Ti-1023钛合金细晶化和组织控制工艺研究[J]. 稀有金属, 2004, 28(1): 54-57.

(编辑 陈卫萍)

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613803)

通信作者：黄利军；电话：010-62496630；E-mail：lijun.huang@biam.ac.cn