TC11鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si,是一種綜合性能良好的α+β型熱強鈦合金。這種合金具有優(yōu)異的熱強性能,主要用于制作工作溫度在500℃以下的
關(guān)鍵零部件,是目前航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片及武器裝備上應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。本文主要針對大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件的組織均勻性差、力學(xué)性能匹配差等問題,通過不同變形鍛造工藝對比,研究其對室溫力學(xué)性能、顯微組織的影響。制定合理可行的工藝方案,從而最終獲得各個部位組織均勻一致、力學(xué)性能完全符合標準及用戶使用要求的Φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。
1、試驗材料及實驗方法
1.1試驗材料
試驗材料選用攀鋼集團攀枝花鈦材有限公司的優(yōu)質(zhì)細顆粒海綿鈦及合金原材料,真空等離子焊接的自耗電極采用三次真空自耗電弧爐熔煉,熔煉鑄錠尺寸為Φ750mm,試驗材料的化學(xué)成分符合GB/T3620-2007標準要求。試驗材料的(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度為1025~1030℃。
1.2試驗方法
試驗材料采用同一成分的鑄錠,在攀鋼集團攀枝花鈦材有限公司江油分公司的45MN鍛壓機上鍛造,執(zhí)行相同的鑄錠開坯工藝后鋸切平分三節(jié)后分別按A、B、C三種工藝方法進行Φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件鍛造,鍛造變形工藝見表1。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1低倍組織分析
通過上述三種鍛造方案鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11鈦環(huán)件的低倍組織,見圖1。
從圖中可以看出,工藝A鍛造的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件的低倍組織有明顯的清晰晶,而工藝B、C鍛造的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件低倍組織為模糊晶。通過β鍛造開坯的坯料,經(jīng)過兩相區(qū)內(nèi)總鍛造變形超過80%后,低倍組織由清晰晶向模糊晶轉(zhuǎn)變。
2.2力學(xué)性能分析
大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件經(jīng)950℃/1.5h.AC+530℃/6h.AC熱處理后,分別在三種鍛制工藝得到的成品環(huán)件的外邊緣、中心、內(nèi)邊緣位置取橫向試樣,見圖2,進行室溫力學(xué)性能檢測,檢測結(jié)果見表2。
從表2可以看出,工藝A鍛造的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面相鄰的各部位力學(xué)性能差異較大,中心部位的強度及塑性都高于環(huán)件內(nèi)外邊緣,中心與環(huán)件內(nèi)外邊緣相比較,抗拉強度相差約為25MPa。經(jīng)分析認為,這是由于鍛造變形(鐓粗、擴孔)過程中心部位變形更充分,組織更細小。而按工藝B、C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件同一截面上內(nèi)邊緣、中心、外邊緣各點力學(xué)性能均無明顯差異,環(huán)件整體力學(xué)性能均勻性較好,抗拉強度差小于10MPa。工藝B、C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件室溫力學(xué)性能明顯優(yōu)于工藝A鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。分析原因為工藝B、C在兩相區(qū)內(nèi)變形量相同且高于工藝A,各個部位的變形更充分,組織更均勻、更細小。而細小組織可以起到“細晶強化”作用
2.3顯微組織分析
分別對上述三種鍛造工藝所得到的成品環(huán)件在其對應(yīng)的內(nèi)邊緣、中心、外邊緣各點取橫向試樣,得到各部位的顯微組織,如圖3所示:
從圖3中可以看出,按工藝A鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面上內(nèi)、外邊緣的組織為少量等軸α+大量長條α+轉(zhuǎn)變β,中心組織為大量等軸α+少量長條α+轉(zhuǎn)變β,因中心部位含有大量的等軸α其塑性相對較高;工藝B鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面上內(nèi)、外邊緣為等軸α+轉(zhuǎn)變β,初生α含量在50%左右,心部為等軸α+拉長α+轉(zhuǎn)變β,初生α含量在30%左右,認為心部拉長α的產(chǎn)生原因為環(huán)件在鐓粗過程中,其心部變形劇烈,溫度升高造成的組織晶粒長大;工藝C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面上為
均勻的等軸α+短棒狀α+轉(zhuǎn)變β,初生α含量在30~40%之間,認為減少“鐓粗-擴口”的變形過程,能有效防止心部溫度劇烈升高,變形均勻性更好,其組織均勻性優(yōu)于工藝A、B。工藝B、C有較高的機械力學(xué)性能是由于具有特殊組織形態(tài)有關(guān),該組織的特點是在轉(zhuǎn)變β基體上分布著等軸α及短棒狀α,能提高材料的機械力學(xué)性能。
這是由于工藝B、C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在兩相區(qū)內(nèi)變形更充分,鍛造過程變形均勻,且變形量大于80%,已滿足把單相區(qū)不均勻變形生產(chǎn)的少部分的不均勻組織進行充分的變形,所以得到了組織均勻性好的TC11合金Φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。
3、結(jié)論
(1)通過β鍛造開坯(變形量大于60%)和兩相區(qū)內(nèi)大變形,變形量大于80%的鍛造工藝,可以獲得組織均勻性好、力學(xué)性能完全符合標準及用戶使用要求的φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。
(2)大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在兩相區(qū)鍛造后進行多重退火(950℃/1.5h.AC+530℃/6h.AC),可以獲得具有等軸初生α+短棒狀α+轉(zhuǎn)變β,初生α含量在30~50%之間的組織,具有足夠高的塑性,滿足使用要求。
(3)在兩相區(qū)內(nèi)成品鍛造工藝取采用“拔長(變形≥70%)→鐓粗→沖孔→擴孔、整形”相比“拔長(變形≥50%)→鐓粗→沖孔→擴孔、整形→鐓粗→擴孔、整形”,其鍛造變形流程縮短,操作難度減低。
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