文章编号：1004-0609(2010)S1-s0036-04

Ti600高温钛合金的力学性能

郭  萍^{1, 2}，洪 权¹, 赵永庆^{1, 2}，戚运莲¹，辛社伟¹，刘  伟¹

 (1. 西北有色金属研究院 钛合金研究所，西安 710016；2. 西北工业大学 材料学院，西安 710072)

摘  要：研究Ti600高温钛合金经过不同退火制度处理后的显微组织和力学性能。结果表明：Ti600合金具有良好的热稳定性，片层组织可以获得强度与塑性的良好匹配，蠕变性能优异。随着退火温度的升高，合金的强度升高，合金经过双重退火后的强度高于一次退火的强度。

关键词：Ti600高温钛合金；显微组织；力学性能

中图分类号：TG 146.4　　     文献标志码：A

Mechanical properties of Ti600 high temperature titanium alloy

GUO Ping^{1, 2}, HONG Quan¹, ZHAO Yong-qing^{1, 2}, QI Yun-lian¹, XIN She-wei¹, LIU wei¹

 (1. Titanium Alloy Research Center, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China;

2. School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Abstract: The microstructure and mechanical properties after different annealing treatments of Ti600 alloys were researched. The results show that Ti600 alloy has a good thermal stability, and the lamellar structure can provide good matching of strength and plasticity to get the better creep resistance; when anneal temperature increases, the strength of Ti600 alloy increases, and the strength after duplex-annealing is higher than that after conventional annealing.

Key words: Ti600 high temperature titanium alloy; microstructure; mechanical property

随着航空工业的迅速发展，为了满足新型飞机设计的要求，世界各国都在竞相发展600 ℃以上长期使用的钛合金^[1]。目前，高温钛合金的开发主要集中在Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si体系中^[2-6]，各国已相继开发展几种性能优良的在600 ℃使用的高温钛合金，如表1所示。该系列合金目前被证明为是最成功的高温钛合金   系^[7]。Ti600合金是西北有色金属研究院研制的一种近α型高温钛合金，主要是针对航空发动机应用需求设计的，其成分在上述合金系的基础上添加了稀土元素Y，符合高温合金设计标准，因此有望成为一种航空用材料。对于发动机材料，必须研究其热稳定性能和蠕变性能，本工作主要对Ti600合金的高温拉伸性能、热稳定性能和蠕变性能进行研究。

1  实验

实验用Ti600合金原材料取自2次真空自耗电弧炉熔炼的400 kg铸锭，经开坯、锻造、精锻及轧制工艺加工成d12 mm的棒材，力学性能试验取样是从棒材上截取的d10 mm×70 mm试样，蠕变试样取样为d10 mm×130 mm，蠕变实验在KD-2试验机上进行，金相腐蚀剂为Kroll试剂，用奥林巴斯PMG3型金相显微镜进行观察和照相。                 

2  结果与讨论

2.1  室温拉伸性能及热稳定性能

表2所列为d12 mm棒材经过不同热处理后的室温拉伸性能及热稳定性能。从表2可以看出，对于未经过热暴露的试样，随着固溶温度的升高，强度上升。在同一热处理制度下，经过热暴露的试样较未进行热暴露的试样，塑性有所下降。例如，经过600 ℃，    100 h热暴露处理的试样，在固溶处理温度为1 000 ℃时，热暴露前、后其强度变化不大，断面收缩率由原来的24%下降至15%，相对值降低了38%；而经过    1 020 ℃处理的试样，断面收缩率由原来的19%降低至13%，相对值降低了32%，强度上升了30 MPa。经过650 ℃，100 h热暴露处理的试样，其强度和塑性均有所降低。经1 020 ℃固溶处理的试样，强度由原来的1 060 MPa降低至1 010 MPa，其断面收缩率由原来的19%降低至9.5%，相对值降低了50%。经过1 060 ℃处理的试样，强度值降低了80 MPa，断面收缩率(Z)由原来的15%降低值至8.5%。从数据分析可以看出，经过热暴露处理的试样，其断面收缩率降低，但均能满足使用要求。有资料表明，经过一定时间热暴露(在炉中加热一定时间，一般为100 h)后，再进行室温拉伸，所测得的面缩率与未经过热暴露的试样所测的面缩率的比值大于50%，表明材料或工艺是稳定的，可判断为稳定性好；否则，判为不合格。因此，Ti600合金具有良好的热稳定性能。

另外，通过显微组织也可以分析室温力学性能的变化。图1所示为经过不同热处理后Ti600合金的显微组织。从图1(a)可以看出，经过1 000 ℃处理的试样呈现双态组织。Ti600合金的相变点为1 010 ℃，在低于相变点温度处理时，初生α部分转变成β相，但仍有10%左右的α相未发生转变，这类型合金具有较高的塑性，但蠕变性能较差。而在相变点以上，α相全部转变成β相，呈现粗大的片状组织，其塑性有所下降。主要原因是等轴组织试样拉伸变形是在α相的个别晶粒中以滑移开始的，随着变形量的增大，滑移将占据越来越多的α晶粒，并向周围的β转变组织扩展，因而空洞形核、连接和扩展较迟，断裂前将产生生更大的变形，从而获得更高的塑性。在片状组织中，由于同一α集束具有相同的惯习面，所以滑移一开始就能毫无阻碍地穿过互相平行的α束而形成快速发展的粗滑移带，且在晶界α处易产生位错塞积，出现微区变形不均匀，促使空洞提前形成和发展，从而导致试样过早断裂。对于高温合金，考察合金的蠕变性能也非常重要。图1 (b)和(c)所示的合金具有较好的蠕变性能。因为钛合金的抗蠕变能力与组织中等轴α相和魏氏α相的相对含量有关系，在相同热处理条件下，条状α比等轴α相有好的抗蠕变能力。因而，增加β转变组织的相对含量(条状α和魏氏α)，必然导致力学性能，特别是蠕变性能的提高。这也正解释了为什么随着固溶温度的升高，合金的抗拉强度会上升，而塑性不会降低的原因。图2所示为不同热处理制度下合金的蠕变性能。由图2可以看出，随着热处理温度的升高，合金抗蠕变性能随之提高。文献[8]已经对该合金的蠕变性能进行了分析。

表1  高温钛合金的成分和使用温度

Table 1  Chemical composition and useful temperature of high temperature titanium alloys

表2  Ti600合金经过不同热处理后的室温拉伸和热稳定性能

Table 2  Room temperature tensile properties and thermal stabilities of Ti600 titanium alloy bars after different heat treatments

图1  不同热处理状态Ti600合金棒材的显微组织

Fig.1  Microstructures of Ti600 alloy bars after different heat treatments: (a) 1 000 ℃, 1 h; (b) 1 020 ℃, 1 h; (c) 1 060 ℃,  1 h

图2  固溶温度对Ti600合金蠕变性能的影响

Fig.2  Effect of solution temperature on creep property of Ti600 alloy

2.2  高温拉伸性能

图3所示为合金棒材经过一次退火后的高温力学性能。由图3可以看出，高温下退火，可以提高合金的强度，而塑性不会降低很多，因为Ti600属于近α型合金；在低温退火时，组织中α等轴含量较多，升高退火温度，可减少α等轴含量，增加α条状的同时球化α等轴。图4所示为合金经过双重退火后的性能。比较图3和4可以看出，在同样的一次退火制度下，双重退火后可以再一次提高合金的强度，主要因为第1次退火温度高，等轴α减少，条状α增加，强度提高。在第2次退火时，α条状的充分析出，也有利于提高强度。从图4还可以看出，合金在650 ℃的高温拉伸性能仍保持较高的水平。

图3  Ti600合金在650 ℃一次退火1 h后的拉伸性能

Fig. 3  Tensile properties of Ti600 alloy after conventional annealing at 650 ℃ for 1 h

图4  Ti600合金双重退火后的高温拉伸性能((1 020 ℃, 1 h, AC)+(650 ℃, 8 h, AC))

Fig.4  High temperature tensile properties of Ti600 alloys after duplex-annealing

3  结论

1) Ti600合金具有良好的热稳定性，可以获得强度和塑性良好匹配及蠕变性能优异片层组织。

2) 对于Ti600合金，随着退火温度的升高，合金的强度随之升高，合金经过双重退火后，强度高于一次退火的强度，并且合金具有良好的耐高温性能。

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HONG Quan, QI Yun-lian, ZHAO Yong-qing, YANG Guan-jun. Influence of processing technique on organization and properties of Ti600 alloy sheet [J]. Rare Metal Material and Engineering, 2005, 34(8): 1334-1337.

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GUO Ping, HONG Quan, CAO Li-ying, et al. Effect of solution heat treatment on creep property of Ti-600 high temperature titanium alloy [J]. Hot Working Technology, 2006, 35(14): 50-52.

(编辑 杨 华)

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