化学成分对铸造Ti6242合金力学性能影响的研究

张　亮，王　红，赵轶群，赵瑞斌，王红红

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京　100095)



化学成分对铸造Ti6242合金力学性能影响的研究

张亮，王红，赵轶群，赵瑞斌，王红红

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100095)

研究了可在500 ℃左右使用的近α型Ti6242合金化学成分取标准要求的上、中、下限对其铸件室、高温力学性能的影响，以及在此基础上进一步调整Al、Zr、O含量对其铸件室、高温力学性能的影响。结果表明：①上、中、下限成分的铸件室温抗拉强度均超过930 MPa，延伸率大于7%，500 ℃的抗拉强度达到638 MPa，满足课题指标要求，综合考虑生产和成本因素，取中限的更适合工程化推广应用；②进一步调整Al、Zr、O元素含量，可使铸件的室温抗拉强度超过980 MPa，延伸率还可达到8%以上，500 ℃的抗拉强度达到675 MPa，比课题技术指标要求有较大的富裕量，明显高于目前常用的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2V-1Zr-1Mo合金铸件力学性能，非常适合在飞机、汽车等领域应用。

Ti6242合金；精密铸造；化学成分；力学性能

0　引　言

Ti6242合金名义化学成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，是20世纪60年代末美国研制的可在500 ℃左右使用的一种近α型高温钛合金[1]。该合金具有优异的综合性能，近年来用量不断增加[2]，主要用于制作航空发动机的压气机盘、叶片和机匣等[3]。

钛合金铸件属于近净成形产品，与锻件等相比具有金属材料利用率高、成形费用低的优势，尤其是成形尺寸大、形状复杂的薄壁件更具优势。常用的Ti-6Al-4V合金铸件已广泛应用于航空航天领域，而Ti6242合金作为综合性能良好的高温合金，近年来其铸件已被空客、普惠、波音等公司用于飞机和发动机上。

在国内，用于飞机和发动机上的Ti6242合金锻件已经做了大量系统的研究工作，但关于Ti6242合金铸件的研究却鲜有报道。为满足我国大型民用客机对具有较高强度、较高耐热温度、形状复杂的薄壁精密铸件的需求，北京百慕航材高科技股份有限公司开展了Ti6242合金铸造成形的系统研究工作，本研究为其研究工作的一部分，重点探讨化学成分对Ti6242合金铸件力学性能的影响，旨在为Ti6242合金铸件的进一步推广应用提供基础数据。

1　实　验

参考国内外相关牌号标准，制定了Ti6242合金铸件上、中、下限的成分范围(见表1)。

表1　制定的Ti6242合金上、中、下限成分范围(w/%)

原料为0级小粒度海绵钛、99%纯锡条(Sn)、火器级海绵锆(Zr)和铝钼中间合金(AlMo70)和铝硅(AlSi12A)中间合金。按表1给出的上、中、下限的成分范围配料、压电极，在真空自耗电弧炉进行二次熔炼，得到三种成分的合金铸锭(每个铸锭的直径为φ220 mm、质量为108 kg)。

将三种不同成分范围的合金铸锭作为电极，在100 kg真空凝壳炉上进行重熔，浇注到高速离心转动的氧化锆型壳中，炉冷出炉。取样分析化学成分，经热等静压处理(HIP，高纯氩气120 MPa，910 ℃,2 h)后，在Instron-4507型试验机上测试室温拉伸性能。根据室温力学性能测试结果优选出一种成分的试棒，测试高温力学性能。

2　实验结果及分析

Ti6242合金中Al是强α稳定元素，Sn和Zr固溶强化Ti-Al基体，Mo作为β稳定元素可提高合金的拉伸强度和热稳定性，Si对该合金力学性能也有着重要的影响，Si含量在0.08%～0.10%时可改善合金的蠕变抗力，而不明显影响合金的热稳定性。浇注的三种成分试棒化学成分测试结果见表2。

表2　Ti6242合金铸造试棒的化学成分(w/%)

由表可见，浇注的上、中、下限成分试棒主合金元素Al、Sn、Mo、Zr及Si均达到成分设计水平，说明本研究所采用的熔炼和浇注手段以及所确定的工艺参数能够较为准确地调整和控制合金成分。三种成分铸造试棒的室温拉伸性能见表3。表3数据显示，上、中、下限成分的铸造试棒抗拉强度均达到或超过930 MPa，延伸率平均值在9.0%以上，都满足课题要求的技术指标，具有良好的拉伸强度和塑性。

分析表3数据可知，随着合金元素成分Al、Sn、Zr、Mo含量的提高，合金的拉伸强度逐步提高。合金成分取上限时，强度比取中、下限明显高，达到1 010 MPa，且延伸率平均值还能达到9.7%。当处于成分下限时，极限拉伸强度基本与课题技术指标持平，强度明显偏低。合金成分取中限时平均抗拉强度和屈服强度分别达到955、890 MPa，平均延伸率为10.3%，最低值不低于7%，具有较高的室温拉伸强度和较好的塑性。综合考虑工程化生产条件下合金成分控制以及成本问题，最终确定Ti6242合金铸件的成分应取中限，并测试了100～600 ℃高温力学性能(见表4)。

表3　Ti6242合金铸造试棒的室温拉伸性能

表4　成分范围取中限的Ti6242合金铸造试棒的高温拉伸性能

由表4可以看出，取中限的Ti6242合金500 ℃的极限拉伸强度为638 MPa，屈服强度为499 MPa，延伸率为15.1%，满足课题指标要求，但极限强度与课题指标相比富裕量不大。

3　优化实验及结果

3.1Al、Zr成分变化对室温力学性能的影响

由于成分取中限的合金极限拉伸强度最低值仅比课题指标多出20 MPa左右，为进一步提升合金强度，在确定的中限合金成分的基础上适当提高Al、Zr含量。表5、6为调整Al、Zr含量之后，熔炼浇注的Ti6242合金试棒化学成分及室温力学性能。与表2、表3中限成分合金相比，Al、Zr含量分别提高了0.2%和0.15%，室温抗拉强度均值为984.5 MPa，提高近30 MPa。屈服强度均值为896 MPa，稍有增加。延伸率均值为8.6%，断面收缩率均值为15.4%，塑性指标有所降低。可见成分调整后，铸造试棒的室温极限拉伸强度进一步提高，强度富裕量增加，延伸率虽略有下降，但仍满足课题技术指标要求。

表5　Al、Zr含量调整后的Ti6242合金铸造试棒的化学成分(w/%)

表6　Al、Zr含量调整后Ti6242合金铸造试棒的室温力学性能(5个试样的平均值)

3.2氧含量变化对高温力学性能的影响

氧是钛合金中重要的间隙杂质元素，在常用的ZTC4、ZTA15钛合金中均采用调整氧含量来增加钛合金材料强度。一般氧含量每增加0.02%大约可以提高将近15 MPa拉伸强度。因此进行了提高Ti6242铸造试棒氧含量对合金高温拉伸性能影响的试验。表7、表8给出了氧含量调整后熔炼、浇注的Ti6242合金试棒的化学成分及高温力学性能。由表7可知，铸造试棒平均氧含量达到了0.145%，比表2中限成分的氧含量提高了0.045%，其他主元素含量成分水平基本一致。表8显示，氧含量提高，Ti6242合金铸造试棒各温度点的拉伸强度都得到明显提高。500 ℃下的极限拉伸强度增加了近40 MPa，富裕量提高。说明氧含量增加可以有效地提高合金高温极限拉伸强度，更好地满足高温强度指标要求。

表7　氧含量提高后铸造试棒的化学成分(w/%)

表8　氧含量提高后铸造试棒高温拉伸性能

4　结　论

(1)取上、中、下限成分的Ti6242合金铸造试棒室温抗拉强度均超过930 MPa，延伸率大于7%，500 ℃抗拉强度达到638 MPa，均满足课题技术指标要求。综合考虑生产和成本的因素，取中限的Ti6242合金铸件更适合工程化应用推广。

(2)进一步调整取中限的Ti6242合金Al、Zr、O元素的含量，可使合金的室温极限拉伸强度达到980 MPa以上，延伸率还可达到8%以上；500 ℃的抗拉强度达到675 MPa，相比课题技术指标要求的620 MPa有较大的富裕量，明显高于目前常用的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2V-1Zr-1Mo合金铸件的力学性能，非常适合在飞机、汽车等领域应用。

[1] 李军帅，赵飞，李妮，等.Ti6242合金的热变形行为及加工图[J].金属热处理，2015,40(4)：23-24.

[2] 王凡，白保良，朱梅生.550 ℃用高温钛合金的研发[J]. 钛工业进展，2014，31(1):7-10.

[3] 肖树龙，陈玉勇，朱洪艳，等. 大型复杂薄壁钛合金铸件熔模精密铸造研究现状及发展[J]. 稀有金属材料与工程，2006，35(5):678-681.

Effects of Chemical Composition on Mechanical Properties of Ti6242 Cast Titanium Alloy

Zhang Liang，Wang Hong，Zhao Yiqun, Zhao Ruibin，Wang Honghong

(BAIMTEC Material Co., Ltd.,Beijing 100095,China)

The effects of chemical composition range on mechanical properties ofα-type titanium alloy Ti6242 at ambient and high temperature were studied. The effects of Al, Zr, O contents adjustion on mechanical properties at ambient and high temperature were also investigated.The results show that, the room temperature tensile strength of three kinds of Ti6242 titanium alloy castings are all above 900 MPa, and the ductility are above 7%.Tensile strength at 500 ℃ can reach 638 MPa, which could meet the requirements of project. After adjusting Al, Zr, O contents, the tensile strength at room temperature can reach 980 MPa and the ductility can reach 8%. The tensile strength at 500 ℃ can reach 675 MPa, which is much higher than the requirements,better than currently used Ti-6Al-4V alloy and Ti-6Al-2V-1Zr-1Mo alloy, and is suitable for application in aircraft, automotive and other fields.

Ti6242 alloy;investment casting;chemical composition;mechanical properties

2015-11-26

国家863计划资助项目(2013AA030703)

张亮(1973—)，男，工程师。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)01-0012-04