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热加工工艺对叶片用TC4钛合金棒材组织与性能的影响

发布时间:2023-11-19 22:49:53 浏览次数 :

TC4钛合金具有高比强度、 较宽的工作温度范围和优异的耐腐蚀性能, 是制造航空发动机压气机盘、 叶片等的首选材料之一[1],航空发动机叶片的工作条件极为复杂和苛刻, 需承受巨大的气动应力、离心应力和温度负荷作用[2], 因而对叶片用钛合金棒材的显微组织和力学性能提出了很高的要求, 如GJB 494A-2008《航空发动机压气机叶片用钛合金棒材规范》要求叶片用TC4钛合金棒材的初α相含量不低于 25% 。

TC4钛合金棒

超声波探伤检验是航空航天领域钛合金原材料验收的基本要求, 部分原材料订货标准中对探伤的要求也十分苛刻, 如 GJB 494A-2008 要求转子叶片用棒材探伤杂波水平不大于0.8mm-12dB,国内学者对钛合金显微组织与超声探伤杂波的对应关系进行了研究[3 - 7], 发现探伤杂波的高低不仅与组织中α 相和 β 相的含量及尺寸大小有关, 还与组织的均匀性、 织构等密切相关,因此, 在钛合金研制和生产过程中, 除组织和常规性能外, 对超声探伤杂波水平也应重点关注。

目前, 国内制造叶片用TC4钛合金棒材的热加工工艺主要有精锻和轧制, 但对 2 种加工方式下TC4钛合金棒材组织和性能(包括超声探伤杂波) 的综合对比研究较少,为此, 对比分析了精锻和轧制2 种加工方式下叶片用TC4钛合金棒材的组织与性能, 并研究了精锻温度和变形量对棒材组织与性能的影响, 以期为优化热加工工艺, 制备满足 GJB494A-2008要求的叶片用TC4钛合金棒材提供参考。

1、实 验

1.1 实验材料

实验材料为经 3 次真空自耗电弧熔炼(VAR) +多火次墩拔锻造制备的 ϕ95mmTC4钛合金棒坯。

棒坯 β 相转变温度为 995 ℃, 化学成分如表 1 所示。

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棒坯横向组织由初生等轴α相和 β 转变组织组成,为典型的双态组织, 初生等轴α相含量超过 65% ,如图1所示。

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1.2 方法与设备

将 ϕ95mmTC4钛合金棒坯切割成等长度的棒料, 按照表 2 方案进行锻造试验: ① 在 940 ℃ 分别进行两火精锻、 一火精锻 + 一火轧制和两火轧制, 得到规格为 ϕ30mm的成品TC4钛合金棒材(中间道次规格均为 ϕ55 mm); ② 分别在 920、 960 ℃ 进行两火精锻试验, 得到规格为 ϕ30mm的成品TC4钛合金棒材; ③ 分别在 920、 940、 960 ℃ 进行一火精锻试验, 得到规格分别为 ϕ50、 ϕ65mm的成品TC4钛合金棒材。

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沿成品TC4钛合金棒材横向 R/2 处切取金相试样和力学性能试样,金相试样经磨抛后用腐蚀剂(HF、 HNO3、 H2O 体积比为 1 ∶ 3 ∶ 6) 浸蚀, 采用蔡司 Axio Vert. A1 倒立式显微镜观察显微组织, 利用ImAge-Pro Plus 5. 0 图像软件分析初α相含量, 每个试样至少观察 5 个视场, 取平均值,力学性能试样经 800 ℃/1. 5h/AC退火后, 采用 Zwick Z330 试验机进行室温拉伸性能测试, 采用 Zwick Z100 试验机进行 高 温 拉 伸 性 能 测 试, 采 用 Zwick RMT-D10(100 kN)试验机进行高温持久性能和蠕变性能测试。

采用 USPC7100 型探伤仪进行水浸超声探伤检验,探头为 ISS/G/ C 10MHz, ϕ0.8mm 平底孔。

2、 结果与分析

2.1 精锻和轧制棒材的组织与性能对比

图 2 是在 940 ℃ 分别进行两火精锻、 一火精锻+ 一火轧制和两火轧制后得到的 ϕ30mmTC4钛合金棒材的横、 纵向显微组织,从图 2 可以看出, 棒材均为典型的双态组织, 但不同加工方式获得的棒材α相含量、 形态、 尺寸及分布存在一定差异,两火精锻棒材的初α相含量约为 65% , 纵向α相拉长明显, 精锻 + 轧制和两火轧制棒材的初α相含量较低, 分别约为 55% 和 45% , 但纵向等轴性更,这是因为在相同的加热温度下, 精锻棒材较轧制棒材变形时间长, 锻造过程中发生了明显的温降,而轧制棒材变形时间短、 温升明显, 实际变形温度高于精锻棒材, 导致轧制棒材纵向初α相的等轴化程度更高,此外, 精锻棒材的次α相多呈碎点状或扭曲的条状分布, 而轧制棒材的次α相多呈平直的长条状分布, 这是由 2 种加工方式的特点决定的,精锻变形道次间的持续时间长, 两道次变形间隙会析出少量的次α相, 次α相在下一道次的锻造过程中会发生破碎, 进而多呈碎点状或扭曲的条状分布, 如图 2A、 2d 所示,而轧制变形速度快, 组织中的次α相主要是在轧制变形结束后,在冷却过程中从 β 晶界、 α/ β 相界或 β 晶粒内高能缺陷处形成的, 且多呈平直的集束状分布, 如图2b、 2e 所示,与精锻 + 轧制工艺相比, 两火轧制工艺的温升更为明显, 导致成品组织中初生等轴α相的含量较精锻 + 轧制工艺更少, 但次α相的厚度更大, 如图 2c、 2f 所示。

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两火精锻、 一火精锻 + 一火轧制和两火轧制的ϕ30mmTC4钛合金棒材经 800 ℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸、 高温拉伸、 高温持久和蠕变性能见表3,从表 3 可以看出, 在相同热处理条件下, 精锻和轧制棒材的室温拉伸塑性、 高温持久和蠕变性能差异较小, 但精锻棒材的室温强度和高温强度明显高于轧制棒材,这是因为精锻棒材的初α相含量略高于轧制棒材, 且次α相多呈碎点状或扭曲的条状分布, 晶粒细小, 阻碍了位错运动, 起到了细晶强化的作用。

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表 4 是在 940 ℃ 分别进行两火精锻、 一火精锻+ 一火轧制、 两火轧制后得到的 ϕ30mmTC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平,从表 4 可以看出, 两火精锻棒材的探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(9~12)dB,精锻 + 轧制、 两火轧制棒材的探伤杂波水平均为ϕ0.8 mm-(12~16)dB, 小于两火精锻棒材,这是因为轧制棒材初α相含量低, 次α相的集束尺寸增加, 相界面取向差减小, 组织更加均匀, 故探伤杂波水平低,从图 2 也可以看出, 精锻棒材的等轴α 相分布不均匀, 存在α相聚集现象, 导致超声波信号散射加剧, 探伤杂波水平高于轧制棒材。

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从以上组织、 性能和超声探伤杂波水平的分析可知, 精锻和轧制方式制备的棒材各有特点, 除超声探伤杂波水平稍高外, 精锻棒材的室温强度和高温强度优势明显,因此, 为进一步提高TC4钛合金精锻棒材的组织与性能匹配, 开展了精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材组织与性能的影响研究。

2.2 精锻温度和变形量对组织与性能的影响

图 3 是按照表 2 精锻方案, 在不同温度下精锻得到的 ϕ30、 ϕ50、 ϕ65mmTC4钛合金棒材的显微组织,从图 3 可以看出, 随着精锻温度的升高, 棒材初α相含量从 920 ℃ 精锻时的约 80% 降低到940 ℃ 精锻时的约 65% , 当精锻温度继续提高到960 ℃ 时初α相含量不足 50% , 但碎点状或扭曲的条状α相含量逐渐增多,这是因为精锻温度的升高加剧了初α相转变[8], 使锻造过程中形成的碎点状或扭曲的次α相更多,从图 3 还可以看出,对于相同规格的TC4钛合金棒材, 精锻温度越高,初α相的分布越均匀,相同变形温度下, 精锻变形量越大, 棒材组织越细小,α相发生扭曲和聚集的不均匀现象也更为明显。

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图 4 是在不同温度下精锻得到的不同规格TC4钛合金棒材经 800 ℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸和高温拉伸性能,从图 4A、 4c 可以看出, 精锻温度越低、 变形量越大, 棒材的室温拉伸和高温拉伸强度也越高, 这与组织中初α相和次α相的含量和形态有关,经 920 ℃ 精锻后的 ϕ30mm棒材, 初α相含量高, 次α相破碎明显且多呈碎点状分布, 其室温拉伸和高温拉伸强度最高,随着精锻温度的升高, 初生等轴 α 相的含量逐渐减少, 呈碎点状或扭曲条状的次生α相含量逐渐提高,但在800 ℃/1.5/AC退火条件下, 次α相的形貌并未发生明显变化, 因此影响棒材室温拉伸和高温拉伸强度的主要因素还是初生等轴α相的含量,在相同的精锻温度下, 精锻变形量越大, 晶粒尺寸越小,棒材累积的位错密度越高, 对应的强度也越高,此外, 精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材的塑性影响并不明显, 如图 4b 所示。

表 5 是在不同温度下精锻得到的不同规格TC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平,从表 5 可以看出,920~960 ℃ 精锻的 ϕ30mmTC4钛合金棒材的探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(9~12) dB, ϕ50mm棒材的探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(12~16)dB, 可见相同精锻温度下 ϕ50mm棒材的探伤杂波水平低于 ϕ30 mm棒材,920 ℃精锻的 ϕ65mmTC4钛合金棒材探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(12~16)dB, 但当精锻温度提高到 940 ℃和 960 ℃时, 探伤杂波水平都降低到 ϕ0.8mm-(16~20)dB, 说明相同规格的TC4钛合金棒材,

随着精锻温度的提高, 探伤杂波水平逐渐降低, 而精锻温度一定时, 变形量越大,TC4钛合金棒材的探伤杂波水平越高,这是因为超声波探伤杂波的变化与TC4钛合金棒材组织中初α相和次α相的含量、 尺寸和分布情况均有关,精锻温度越高, 精锻变形量越小,TC4钛合金棒材初α相的含量低且等轴性好, 次α相的含量高且片层较平直, 整体组织均匀性越好, 超声波探伤时信号散射越小,杂波水平越低。

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从以上分析结果可知, 随着精锻温度的升高,TC4钛合金棒材的探伤杂波水平逐渐减小,但精锻温度的提高会导致初α相含量降低(会对成品叶片的疲劳性能产生不利影响[9]), 室温拉伸和高温拉伸强度下降,因此, 针对叶片用TC4钛合金棒材, 当精锻温度为 940 ℃ 时, 棒材的探伤杂波水平可以达到 ϕ0.8 mm-9dB 以下, 初α相含量可以达到 65%左右, 性能保持在较高水平, 整体组织、 性能匹配较好。

3、结 论

(1) 与轧制工艺相比, 精锻工艺制备的TC4钛合金棒材室温拉伸和高温拉伸强度优势明显, 但超声探伤杂波水平稍高。

(2) 随着精锻温度升高,TC4钛合金棒材的初生等轴α相含量逐渐减少, 室温拉伸和高温拉伸强度下降, 但超声探伤杂波水平逐渐减小,随着精锻变形量增大, 棒材晶粒尺寸逐渐减小, 室温拉伸和高温拉伸强度逐渐提高, 但组织均匀性变差, 超声探伤杂波水平增大。

(3) 精锻温度选用 940 ℃ 时,TC4钛合金棒材的组织和性能匹配较好。

参考文献 References

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