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TC11鈦合金大規格棒材組織均勻性控制
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TC11鈦合金大規格棒材組織均勻性控制

發布時間 :2022-05-09 06:09:14 瀏覽次數 :

TC11鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si,屬于馬氏體型α+β鈦合金。具有優異的熱強性能,主要用于工作溫度500℃以下的飛機發動機葉片、葉輪、壓氣盤等關鍵零部件,是目前航空航天工業應用較廣的一種鈦合金[1] 。隨著鈦航空航天工業的發展,鈦合金鍛造棒材的規格不斷增大,同時對棒材的組織均勻性提出了更高要求。本文針對TC11φ230mm鈦棒材組織均勻性差、力學性能不均等問題,通過制定合理的鍛造工藝方案,有效地提高φ30mm棒材的組織和力學能均勻性。

1、試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料制造方法

本文選用攀長特鈦材有限公司真空自耗熔煉的TC11鈦合金鑄錠,直徑為φ720mm。鑄錠化學成分(表1),β轉變度為982℃。

 鈦錠化學成分

1.2 試驗方法

本試驗采用A、B兩種鍛造工藝方案。

開坯鍛造:A方案和B方案,鑄錠加熱到α+β相變點以上,采用鐓粗拔長工藝,總鍛比:5。成品鍛造:A方案在β相變點以下,采用上下平砧拔長工藝生產鈦棒,總鍛比:5;B方案在β相變點以下,采用鐓粗+ V型砧拔長工藝生產鈦棒,總鍛比:8。

2、試驗結果對比

2.1 取樣方案

成品棒材熱處理工藝:960℃保溫 1h,空冷+530℃保溫6h,空冷。

A、B兩種不同工藝生產的棒材,分別在橫截面的中心、1/2R和邊部取力學和顯微組織試樣,并在棒材一端取低倍試樣。

鍛棒的低倍組織

2.2 低倍組織比較

A方案鍛造的棒材低倍組織不均勻,邊部為模糊晶,1/2R處和心部為半清晰晶。B方案鍛造的棒材低倍組織均勻性好,整體為模糊晶。

2.3 顯微組織比較

對采用A方案和B方案鍛造的棒材,其橫截面中心、1/2R和邊部的顯微組織檢驗結果如圖2所示。

A 、B兩種方案生產的鍛棒的顯微組織

(其中下標1、2、3分別表示棒材橫截面上的中心、1/2半徑及邊部)采用方案A鍛造的棒材從中心到邊部的顯微組織差異較大,邊部組織為細小的等軸組織,但中心與1/2R處的組織破碎不充分,仍有原始β晶界的痕跡,雖然晶界已破碎,但原始β晶粒內部還存在明顯的集束。采用方案B鍛造的棒材,從中心到邊部的顯微組織基本為等軸組織,原始β晶界充分破碎。

力學性能

2.4 力學性能比較

方案A鍛造的棒材,中心到邊部的強度逐漸提高。中心與邊部的抗拉強度相差39MPa,斷面收縮率相差9%。方案B鍛造的棒材,中心到邊部的力學性能較均勻,強度和塑性均優于A方案。

3、試驗結果分析

3.1 低倍和顯微組織分析

對圖1和圖2分析:A方案鍛造的棒材中心、1/2R和邊部的低倍組織分別表現為半清晰晶和模糊晶,中心和1/2R處的顯微組織為等軸α+原始β晶界,邊部為等軸組織。B方案鍛造的棒材,低倍表現為模糊晶,其顯微組織基本為等軸組織。在α+β區變形時,A方案采用上下平砧拔長工藝,棒材中心和1/2R變形不充分、鍛透性差,β晶界破碎程度不高,α片層的球化程度低;B方案采用鐓粗+ V型砧拔長,棒材中心受3向壓應力,提高鍛透性,β晶粒破碎充分,α片層的球化程度提高。

3.2 力學性能分析

從表2分析:B方案棒材斷面收縮率,較A方案提高了6%,中心到邊部的性能較A方案也有提高。

據相關研究表明:α相對拉伸塑性指標影響較明顯,特別是斷面收縮率[2] 。適當地增大變形程度,可以起到細化晶粒的作用[3] 。由于A方案鍛造的棒材只采用平砧拔長,棒材變形不均勻,晶粒細化程度低,等軸α相含量相對較少,棒材中心到邊部的抗拉強度和塑性相差大。B方案采用鐓粗+V型砧拔長,從中心到邊部棒材變形更充分、更均勻,晶粒細化程度高,等軸α相含量提高,棒材的抗拉強度均勻,斷面收縮率提高。

4、結論

TC11φ230mm棒材鍛造,適當增加在α+β相區總鍛比,采用鐓粗+ V型砧拔長,棒材中心和1/2R處的鍛透性得到改善,提高低倍組織的均勻性;晶粒細化,等軸α相含量提高,性能均勻性提升。

參考文獻

[1] 蘇祖武,孟國文,郭鴻鎮,等.Tcll鈦合金棒材顯微組織等軸細晶化工藝研究[J].金屬學報.1991:27

[2] 莫畏.鈦鑄錠和鍛造[M].北京:冶金工業出版社.2012

[3] 趙永慶,陳永楠,張學敏.等.鈦合金相變及熱處理[M].湖南:中南大學出版社.2012.

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