阻燃钛合金Ti40的热物理性能及力学性能

赖运金， 张平祥， 张赛飞， 王凯旋，雷 强， 辛社伟， 郑永健， 谭启明

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072；2.西部超导材料科技股份有限公司 特种钛合金材料制备技术国家地方联合工程实验室，西安 710018；3.西北有色金属研究院，西安 710016)

阻燃钛合金Ti40的热物理性能及力学性能

赖运金1,2， 张平祥1,3， 张赛飞1， 王凯旋2，雷 强2， 辛社伟3， 郑永健1， 谭启明2

(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，西安 710072；2.西部超导材料科技股份有限公司 特种钛合金材料制备技术国家地方联合工程实验室，西安 710018；3.西北有色金属研究院，西安 710016)

作为一种功能性钛合金，Ti40阻燃钛合金的热物理性能数据首次被报道。采用真空自耗电弧熔炼技术制备的Ti40合金铸锭成分均匀，利用热挤压开坯+包套保护锻造方法制备的板坯组织均匀。性能测试结果表明：Ti40合金的室温抗拉强度为950 MPa级，且在500 ℃下具有良好的热暴露性能、高温蠕变性能和高温持久性能。在室温到600 ℃范围内，合金的杨氏模量和剪切模量随着温度的升高呈线性下降，泊松比随着温度升高而缓慢增加；线性热膨胀曲线随着温度升高呈抛物线增加，平均线膨胀系数随着温度的升高呈线性增加。

阻燃钛合金；Ti40合金；热物理性能；板坯；力学性能

高性能钛合金材料是发动机提高推重比的重要保障。随着先进发动机用钛量的增加，发生“钛火”事故的概率越来越大[1-3]。阻燃钛合金的开发与应用成为防“钛火”事故的最直接的方法[4-6]。美国F119-PW-100发动机的高压压气机静子内环、静子叶片，喷口调节片和加力燃烧室筒体等部位均采用了Alloy C+阻燃钛合金[7-9]。20世纪90年代以来，美国、俄罗斯、英国、中国等均在积极开展阻燃钛合金的应用研究工作[10-13]。

Ti40阻燃钛合金的名义成分为Ti-25V-15Cr-0.2Si，国标牌号TB12[14-15]。与Alloy C系列合金(Tiadyne3515或Ti1270)[16]阻燃钛合金相似，Ti40合金也具有良好的室温、高温拉伸、蠕变和断裂韧度等综合性能[17]。虽然Ti40合金在组织和常规性能以及开裂机理[18]等方面的文献报道较多，但对该合金详细的热物理性能数据尚未见报道。本研究采用敲击共振法测量杨氏模量、剪切模量和泊松比，采用顶杆法测量热膨胀，首次对Ti40阻燃钛合金的热物理性能数据进行了分析研究，期望为我国阻燃钛合金材料的工程化应用提供基础数据。

1 实验材料及方法

1.1Ti40合金大型铸锭及板坯的制备

采用真空自耗电弧炉四次熔炼技术制备直径φ640 mm的3吨级Ti40合金工业级铸锭，对铸锭头部(top)和底部(bottom)横截面切片进行“九点对称中分(NPSM)”取样(T/B1～T/B9：T/B2，T/B4，T/B7，T/B8为二分之一半径处；T/B1，T/B5，T/B6，T/B9为距边缘四分之一半径处；T/B3为中心位置)，以及铸锭高度方向(纵向)圆周面(circumferenty)均分五点(C1～C5)，分别测试23个位置的化学成分；详细成分数据见图1。从图1中头部和底部的V和Cr元素的散点分布可以看出：无论是V元素还是Cr元素，23个位置成分含量基本处于同一水平线上，说明铸锭成分均匀性较好，尤其是Cr元素。文献[19-22]中对Ti40合金的研究表明：V和Cr元素分布的均匀性对阻燃钛合金的综合性能存在重大的影响，尤其是阻燃性能和蠕变性能、热稳定性等热强性能。

采用36000吨大型立式挤压机对Ti40阻燃钛合金φ640 mm大型铸锭进行“热挤压开坯(HEFF)”，开坯后根据坯料目标尺寸进行分料，再采用“包套保护锻造(WPF)”的方法在4500吨快锻机上对各坯料分别进行多火次镦拔循环锻造，最后锻造成55 mm×270 mm×Lmm的板坯，板坯宏观照片和高低倍组织如图2(a),(b)所示。板坯机械加工后尺寸为55 mm×270 mm×L mm，采用接触法进行超声波无损探伤，其结果为：φ1.2-(12-16) dB。对阻燃钛合金板坯横截面中部位置取样进行力学性能(热处理制度为850 ℃/1 h，水冷+550 ℃/5 h，空冷)和热物理性能测试，采用LEICA MEF4A倒立金相显微镜观察板坯的显微组织形貌并拍摄金相照片。

1.2阻燃钛合金热物理性能

本研究中的Ti40阻燃钛合金热物理性能数据均为中国科学院金属所物理性能测试设备测试实测数据，实验样品取自55 mm×270 mm×Lmm规格Ti40阻燃钛合金板坯本体，取样位置如图2所示。

1.2.1 密度的测试原理

以阿基米德定律(Archimedes law)为基础，采用流体静力学方法，利用天平及其组件测得试样的质量和体积，再用室温蒸馏水和空气的密度修正补偿，最终得到试样的室温密度。计算公式如下：

(1)

式中：ρ为试样在温度t时的密度,g·cm-3；A为试样在空气中的质量,g；B为试样在水中的测量值,g；ρ0为水在温度t时的密度,g·cm-3；ρL为空气的密度,g·cm-3。

1.2.2 弹性性能

弹性性能的测试采用动态测量方法-敲击共振法，即通过触发敲击使样品产生振动，探测系统采集的振动信号经数据处理获得其共振频率，通过计算得到试样的弹性性能。计算公式分别为：

(2)

(3)

(4)式中：E为杨氏模量,GPa；G为剪切模量,GPa；m为试样质量(g)；l为试样长度,mm，b为宽度,mm；t为厚度,mm；ff为固有弯曲共振频率,Hz；ft为固有扭曲共振频率,Hz；T1，T2为修正系数；μ为泊松比。

1.2.3 热膨胀的测试

热膨胀采用顶杆法测量，通过测量与温度变化(ΔT)相应的试样的长度变化(ΔL)，并将试样载体及顶杆等对试样长度变化可能造成影响的因素加以修正，可以得到试样的线膨胀系数(α1)和平均线膨胀系数(α)。计算公式为：

α1=ΔL/L0

(5)

(6)式中：α1为线膨胀系数,10-6·℃-1；α为平均线膨胀系数，10-6·℃-1；ΔT为温度的变化量(测试温度与基准温度的温度差)；ΔL为试样与温度变化相应的已经修正的长度变化量；L0为基准温度下的试样长度。

2 结果与分析

2.1Ti40合金厚板力学性能

表1为Ti40阻燃钛合金55 mm×270 mm×L mm板坯室温，540 ℃高温力学性能，500 ℃/100 h热暴露性能、500 ℃/100 h/250 MPa高温蠕变性能和520 ℃/300 MPa高温持久性能实测数据(每个位置重复测试2个样本，取平均值)。从表1中数据可以看出，Ti40合金55 mm×270 mm×Lmm板坯在室温下具有950 MPa级的强度(文献[23]-[25]的研究表明Ti40合金棒材强度可达到1000 MPa级)，并且各项性能的横纵向差异非常小，具有很好的均匀性，根据组织对力学性能的影响规律可以推断该板坯横纵向组织均匀较好，其横向和纵向显微组织如图3(a)和(b)所示。图3中再结晶完全，晶界平直，几乎全部为等轴晶粒，平均晶粒尺寸约为200 μm，纵向组织的长宽比略高。此外，由表1中断裂韧度数据可以看出，开口方向为横向的断裂韧性KIC数值比纵向约高6.7%，这与板坯变形过程中金属流动具有方向性有关，开口方向与金属主流动方向(板坯纵向)垂直的断裂韧度KIC数值较高。

表1 Ti40合金55 mm×270 mm×L mm板坯力学性能

Note: Heat treatment is 850 ℃/1 h，WQ+550 ℃/5 h，AC。

从表1中高温性能数据还可以看出，Ti40合金在500 ℃温度下具有良好的热暴露性能和高温蠕变性能，并且横向和纵向非常接近，说明Ti40阻燃钛合金的高温蠕变性能和高温拉伸性能主要受化学成分影响，组织和变形方式影响较小。为了摸索该合金的高温蠕变性能，将蠕变测试温度提高到520 ℃，结果表明Ti40合金在520 ℃/250 MPa下的高温蠕变性能Af已经无法稳定满足≤0.1%的要求(实验测试过程中横向和纵向试样蠕变Af数据分别为1.6%和1.1%)。表1中还列出了Ti40阻燃钛合金板坯在520 ℃/300 MPa条件下的高温持久性能数据，因测试标准要求大于100 h后停止实验，所以无法比较最终拉断时间，但测试的横纵向两组数据均达到了101 h未断，说明该合金具有较好的高温持久性能。为进一步研究该合金的高温持久性能，经测试，Ti40合金在300 MPa条件下的540 ℃高温持久时间无法稳定达到100 h以上(实验测试过程中横向和纵向试样断裂时间分别为96.8 h和77.0 h)。

2.2Ti40合金热物理性能

温度对金属材料的物理性能有直接影响，尤其是钛合金材料[26]。经测试和计算，典型Ti-V-Cr系阻燃钛合金Ti40合金在室温(21.7℃)下的密度为5.125 g·cm-3，详细测试参数如表2所示。

表2 计算Ti40阻燃钛合金室温(21.7 ℃)密度的参数

图4为Ti40合金的杨氏模量、剪切模量和泊松比-温度曲线。从图4(a)中可以看出，在室温(24 ℃)到600 ℃范围内的，Ti40合金的杨氏模量E和剪切模量G随着温度的升高而下降。原因是：随着

温度升高，合金吸收的能量会加剧晶格振动频率，使合金在相同应力作用下更容易发生弹性变形和剪切变形，从而降低合金的杨氏模量和剪切模量[27]。从图中还可以看出，杨氏模量E和剪切模量G的下降趋势均呈线性关系，且两者下降斜率非常接近，只是杨氏模量E的下降斜率比剪切模量G略高。从室温到600 ℃，杨氏模量E从108 GPa下降到93.7 GPa，剪切模量G从39.5 GPa到33.8 GPa。

采用最小二乘法对实验测试数据进行线性拟合，获得Ti40阻燃钛合金的杨氏模量E、剪切模量G与温度T之间的关系如下：

E=108.74224-0.02392t

(7)

G=39.82458-0.00969t

(8)

式中：E为杨氏模量，GPa；G为剪切模量，GPa；t为温度，℃。

图4(b)显示泊松比μ随着温度升高而缓慢增加，但其增长趋势的线性吻合度不高，从室温到600 ℃，由0.37增加到0.39。

图5为Ti40合金线膨胀系数和平均线膨胀系数图。从图5(a)可以看出，与Ti55531，Ti45Nb等近β(或β)型钛合金的线膨胀系数α1随着温度的升高呈抛物线式增加，在20～600 ℃，Ti40合金的线性热膨胀系数α1随着温度的升高呈开口向上型抛物线增加，从0增加到0.61%。原子发生非线性震动是产生热膨胀的根本原因，温度越高原子震动越剧烈，其直观表现为发生热膨胀现象，因此线膨胀系数随着温度的升高而增大。而平均线膨胀系数随着温度的升高而增加，与常规钛合金相似(钛及钛合金的线膨胀系数约为(8.2～9.1×10-6)K-1)，Ti40合金的平均线膨胀系数随着温度的升高呈开口向下型抛物线增加(见图5(b))，增加的趋势越来越小，从100 ℃到600 ℃，平均线膨胀系数从8.08×10-6·℃-1增加到10.5×10-6·℃-1。采用最小二乘法对实验测试数据进行拟合，获得Ti40合金的平均线性热膨胀系数α与温度T之间的关系如下：

α=7.282+0.00915t-6.42857×10-6t2

(9)

式中：α为平均线膨胀系数，10-6·℃-1；t为温度，℃。

综上所述，在室温到600 ℃范围内，Ti40合金的杨氏模量、剪切模量、泊松比和热膨胀等热物理性能数据受温度的影响呈现的变化趋势比较稳定，说明Ti40合金的热物理性能在600 ℃以下具有较好的稳定性和可预测性，为其推广应用于发动机的高温环境奠定了坚实的基础。

3 结 论

(1)真空自耗电弧熔炼技术制备的Ti40阻燃钛合金3吨级大型铸锭的成分均匀性良好。

(2)采用热挤压开坯(HEFF)+包套保护锻造(WPF)方法制备的Ti40合金55 mm×270 mm×Lmm板坯组织均匀，室温下具有950 MPa级的强度，500 ℃温度下具有良好的热暴露性能、高温蠕变性能和高温持久性能。

(3)在室温到600 ℃范围内，Ti40阻燃钛合金的杨氏模量、剪切模量、泊松比和线膨胀等热物理性能数据受温度的影响呈现比较稳定的变化趋势：杨氏模量E和剪切模量G随着温度的升高呈线性下降，弹性模量E的下降斜率略高，泊松比μ随着温度升高而缓慢增加；线膨胀系数和平均线膨胀系数曲线随着温度升高呈抛物线增加。

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Abstract： As a functional material of burn-resistant titanium alloy, the physical properties of Ti40 alloy were first reported. The chemical compositions of Ti40 alloy ingots by VAR were uniform. The microstructures of Ti40 alloy slab manufactured by HEFF+WPF were uniform. The results show that the room temperature tensile strength of Ti40 alloy is 950 MPa degree. The properties of high temperature heat exposure, creep resistance and lasting time are good at 500 ℃. In the range from room temperature to 600 ℃, Young’s modulus and shear modulus are decreased linearly with increasing the temperature, Poisson’s ratio is increases slowly as the temperature rises, and linear thermal expansion coefficient and average linear expansion coefficient is increase as the temperature rises.

Keywords: burn-resistant titanium alloy；Ti40 alloy；thermo-physical properties；slab；mechanical properties

(责任编辑：张 峥)

Thermo-physicalPropertiesandMechanicalPropertiesofBurn-resistantTitaniumAlloyTi40

LAI Yunjin1,2, ZHANG Pingxiang1,3, ZHANG Saifei1, WANG Kaixuan2, LEI Qiang2, XIN Shewei3, ZHENG Yongjian1, TAN Qiming2

(1.State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2.NLEL for Special Titanium Alloy Material Manufacturing, Western Superconducting Technologies Co., Ltd, Xi′an 710018, China; 3.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi′an 710016, China)

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000159

TG146.2+3

A

1005-5053(2017)05-0022-07

国家自然科学基金(51504037)；国际科技合作专项(2013DFB50180)；陕西省重大科技成果转化引导专项(2015KTCG01-11)

赖运金(1979—)，男，博士，高级工程师，主要从事特种钛合金材料制备技术研究，(E-mail)laiking62@c-wst.com。

2016-09-09；

2016-11-30