2 种轧制温度下BT25 钛合金棒材组织与性能

2013-12-23王文杰赵永庆曾立英

钛工业进展 2013年1期

王文杰，赵永庆，曾立英

(1. 海军装备部，陕西西安 710021)

(2. 西北有色金属研究院，陕西西安 710016)

1 前言

BT25 钛合金(Ti-6.7Al-1.5Sn-1.5Zr-2Mo-lW-0.15Si)是由俄罗斯研制的，是马氏体型的α + β 两相钛合金。其工作温度可达500 ～550 ℃，是用于发动机的理想热强钛合金之一，可用于制造压气机零件［1-5］。

目前，BT25 钛合金已经应用在航空发动机上，这些年来我国也对该合金进行了大量的研究［1-5］，报道了该合金棒材性能、轧制技术及其对合金组织和性能的研究［2，5］。由于工艺决定组织，组织决定性能，因此合金棒材的最终性能与其锻造、轧制及热处理工艺密切相关。在众多工艺参数中，轧制温度对棒材最终性能的影响尤为重要。因此，应用户要求，研究了950 ℃和980 ℃(950 ℃位于常规的两相区加工温度区间，比相变点低50 ℃;980 ℃位于两相区加工的高温区，接近近β 锻造温度)轧制的BT25 钛合金棒材的室温、500 ℃及550 ℃拉伸性能、热稳定性能与持久性能，以及950 ℃轧制棒材的室温、400 ℃、500 ℃、550 ℃和600 ℃拉伸性能。

2 实验

实验用的BT25 钛合金铸锭经三次重熔而成，尺寸为φ280 mm，其化学成分为:6.3%Al，2.0%Sn，1.59%Zr，1.98%Mo，0.73%W，0.29%Si，0.04%Fe，0.011%N，0.01%C，0.002%H，0.14%O。金相法测定该合金的相转变温度约为1 010 ℃±10 ℃。铸锭在1600t 快锻机上开坯锻造后，多火次反复镦拔获得φ70 mm 棒材;随后将φ70 mm 的棒料在SKK-10 精锻机上精锻成φ50 mm 棒材;最后将φ50 mm的棒料分别在950 ℃和980 ℃于ZJ-250 轧机上一火次轧制成φ12 mm 棒材。

在2 种温度轧制的棒材上分别切取拉伸试样，并按照960 ℃×1 h/AC +550 ℃×6 h/AC 的热处理制度对其进行热处理。随后将部分试样在550 ℃热暴露100 h 后对其进行室温拉伸试验以评价其热稳定性。所有拉伸与持久试样均采用标距长25 mm，直径5 mm 的棒状样品。室温拉伸、高温拉伸以及持久试验分别在Instron-1185 型、Instron-5985 型电子拉伸机以及BN2 型高温持久试验机上完成。室温冲击试验选用尺寸为10 mm×10 mm×55 mm 的梅氏U型缺口试样，在JB-30B 冲击试验机上进行。在奥林巴斯PMG-3 型显微镜上观察合金组织。

3 结果与讨论

3.1 2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材的组织形貌

通常情况下，可根据合金要求的力学性能来选择其显微组织的类型，进而确定加工工艺。魏氏组织具有良好的高温抗蠕变性能，但其塑性、热稳定性和疲劳性能最差。网篮组织和双态组织综合力学性能良好(强度和塑性均较好)，前者的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能良好，但其疲劳性能和热稳定性要相对差一些。与双态组织相比，网篮组织具有更优异的抗蠕变性能。等轴组织具有最好的拉伸塑性和热稳定性，但其抗蠕变性能最低［6］。为保证压气机零件的使用寿命和可靠性，就BT25 钛合金而言，一般会选择网篮组织或双态组织。

图1 给出2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材的金相照片。由图可知，经960 ℃×1 h/AC +550 ℃×6 h/AC 处理后，2 种温度轧制棒材的组织形貌基本相似，均为由初生α 相和条状β 转变组织构成的双态组织，其中白色的等轴状颗粒为初生α 相，条状为β 转变组织。白色初生α 相均匀分布在黑色的β 基体上。980 ℃轧制的棒材初生的等轴α 相尺寸大，而次生的α 相细长，有部分厚短的α 片层弯曲，连接成链状，如图1a 所示。轧制温度降至950 ℃，BT25 钛合金棒材中初生的等轴α 相数量减少，尺寸变小;较次生的细长α 相数量减少，尺寸变化不大，如图1b 所示。这是因为轧制温度高，晶粒尺寸有所长大。总体来说，BT25 钛合金轧制棒材组织比较均匀，且随着变形温度的降低，组织变得细小。

图1 2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材热处理后的金相照片Fig.1 Metallographs of BT25 titanium alloy bars rolled at different temperatures

3.2 2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材的力学性能

表1 示出BT25 钛合金热轧棒材的室温拉伸性能以及其在550 ℃热暴露100 h 后的室温拉伸性能。表2 示出BT25 钛合金的高温拉伸性能与持久性能。从表1 可以看出，2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材的室温拉伸性能与热稳定性能均满足用户提出的指标要求。其中，980 ℃轧制的BT25 钛合金棒材的室温拉伸性能均优于950 ℃的，抗拉强度比950 ℃的约高1.73%，延伸率约高5.1%。在550 ℃热暴露100 h后，980 ℃轧制的BT25 钛合金棒材的抗拉强度与室温相比基本没有发生变化，屈服强度有所升高，延伸率降低幅度较大，大约降低了42.3%;而950 ℃轧制的BT25 钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度均升高2%左右，延伸率降低13.51%。室温下2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材的冲击韧性相当。从表2 中可以看出，2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材在500 ℃和550 ℃的高温拉伸与持久性能相差不大，均满足用户提出的指标要求。这表明轧制温度对BT25 钛合金棒材的高温拉伸性能与持久性能影响不大。

表1 BT25 钛合金棒材的室温拉伸性能与热稳定性能Table 1 Tensile properties at ambient temperature and thermal stabilities of BT25 alloy bars

表2 BT25 钛合金棒材的高温拉伸性能与持久性能Table 2 Tensile properties and duration time of BT25 alloy bars exposed with a certain stress at 500 ℃and 550 ℃

总之，2 种温度轧制的BT25 钛合金棒材均具有较好的室、高温拉伸性能、冲击韧性、热稳定性与持久性，可满足用户提出的指标要求，且室温拉伸性能与热稳定性能均比指标要求富余较大量。

图2 示出BT25 钛合金950 ℃轧制棒材在室温、400 ℃、500 ℃、550 ℃以及600 ℃的拉伸性能。从图中可以看出，当试验温度从400 ℃升至550 ℃，Rm的降幅只有11.3%，而A 恒为10%，Z 的增幅为80%，这表明在400 ～550 ℃，该合金棒材的室温拉伸性能变化幅度不大。600 ℃时，虽然其Rm有所下降，但仍具有较好的室温拉伸性能，此时Rm=635 MPa，Rp0.2=590 MPa，A=10%，Z=50%。