锻造温度及热处理制度对TC18管材力学性能的影响

李农

摘 要：文章主要研究锻造工艺及热处理制度的变化对TC18管材加工后组织/力学性能及冲击性能的影响，研究表明按照工艺二进行锻造后管材采用750℃/40minAC+590-610℃/6hAC制度进行热处理后，管材组织均匀性良好，力学性能匹配合理，冲击性能满足产品使用要求，能生产出满足航空用压力容器使用要求的TC18管材。

关键词：TC18管材；热处理制度；力学性能

中图分类号：TG319 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0106-03

Abstract： The effect of forging process and heat treatment on the microstructure/mechanical properties and impact properties of processed TC18 pipe is studied in this paper. The research shows that after the pipe is forged according to process 2， the pipe is heat-treated at 750℃/40minAC+590-610℃/6hAC. The structure uniformity of the pipe is cool， the mechanical properties match reasonably， the impact performance meets the requirements of the product， and the TC18 pipe can be produced to meet the use requirements of the aeronautical pressure vessel.

Keywords： TC18 pipe； heat treatment system； mechanical properties

1 介绍

近年来，随着科学技术的发展及国内制造业技术的不断创新，我国航空航天、海洋探测等领域的发展速度急速加快，钛及钛合金材料具有密度小，比强度高，耐蚀性号和无磁性等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工和兵器工业等领域[1-3]，海洋探测等领域的应用越来越多。随着航空工业的发展，目前迫切需要高结构效益的钛合金材料，因此高强高韧成为钛合金发展的主要方向之一。高强高韧成为钛合金用于制造飞机承力构件，使飞机结构减重20%以上，人们希望得到更高强度和更高韧性相匹配的钛合金材料。TC18钛合金的名义化学成分为Ti-5Al-4.75Mo-4.75V-1Cr-1Fe，是一种近β型结构钛合金，具有高强、高韧、高淬透性，在强化热处理状态下具有较高的延伸率、断面收缩率和冲击韧性[4]。该合金退火后的强度与TC4、TC6等合金固溶时效状态下的强度相当，在1105MPa以上，是退火状态下强度最高的钛合金。主要用于制作锻件、棒材、管材。本文研究的TC18管材主要用于压力容器的制作，标准对产品力学性能的要求为Rm≥1150MPa，Rp0.2≥1050MPa，A5≥10%，同时对产品制作成压力容器后要进行承压爆破试验，在项目研究之前生产的TC18管材存在的主要问题是力学性能指标偏高，同时爆破试验耐压值富余量较小，在研究过程中主要通过锻造工艺及热处理工艺的研究掌握TC18管材显微组织、室温力学性能的变化规律（因承压爆破试验在管材制备过程中无法实现主要通过管材冲击性能检测进行测试），掌握TC18管材技工技术，生产出满足用户需求的合格管材，扩宽产品市场。

2 试验材料及方法

2.1 管材制备

本文所用生产TC18管材铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼，熔炼次数为三次，铸锭规格为Φ804mm，相变点870℃，钛合金经锻造、机加成Φ162棒坯，棒坯经挤压、热处理机加至成品规格。铸锭主要化学成分见表1。

锻造过程采用两种不同的锻造工艺，文中称为工艺一、工艺二，工艺一较工艺二锻造温度高。

管材热处理制度工艺方案采用以下三种：

方案一：750℃/40minAC+590℃/6hAC

方案二：750℃/40minAC+610℃/6hAC

方案三：840℃/40minAC+590℃/6hAC

2.2 试验所用设备

试验过程用3150吨水压机挤压，采用205箱式电阻炉进行热处理，金属材料室温拉伸机。

3 实验结果与分析

3.1 显微组织

从工艺一、工艺二不同热处理制度金相显微组织可以看出，工艺一按照三种方案热处理后组织中初生α相含量较少，几乎都转变为较大的β粗大组织和部分晶间α，组织均匀性较差；工艺二按照三种热处理制度处理后组织为等轴α和β转变组织组成的双态组织，组织均匀。从不同热处理制度显微组织变化可以看出随着固溶温度的提高组织中等轴α相的含量明显减少，β转变组织也变得粗大；时效温度提高时组织中等轴α相的含量变化不大。

3.2 力学性能

试验中对工艺一及工艺二按照三个热处理制度的管材均进行室温力学性能检测，检验结果见表2。

通过不同加工工艺及不同热处理制度管材力学性能测试结果表明，工艺一加工管材强度较工艺二相同热处理制度管材强度略高；相同加工工艺管材强度随固溶温度的升高而提高，塑性略有降低；随着时效温度的提升管材强度略有降低，塑性略有提高，但提升不大[5]。

3.3 沖击性能

对不同加工工艺及不同而处理制度进行冲击性能试验，试验所用试样挤压管坯上取样，采用U型缺口，测试结果见表3：

表3 不同工艺及热处理制度冲击性能测试结果

从不同工艺及热处理制度冲击性能测试结果可以看出，工艺二冲击吸收功比工艺一高，固溶温度提升时冲击吸收功变化明显，时效温度调整时冲击吸收功变化不大，说明冲击吸收功对固溶温度的变化比较敏感。

4 结论

（1）TC18管材采用工艺一进行锻造管材，在750-840℃进行固溶处理时管材显微组织为等轴α和β转变组织组成的双态组织，组织均匀。

（2）TC18管材采用750℃/40minAC+590-610℃/6hAC制度进行热处理管材力学性能匹配比较合理。

参考文献：

[1]Fengcang Ma，Siyao lu，Ping Liu，Wei Li，Xinkuan Liu，Xiaohong Chen，Deng Pan，Evolution of strength and fibres orientation of a short-fibres reinforced Ti-matrix composite after extrusion，Materrials&Design，126（2017）297-304.

[2]Fengcang Ma，Siyao lu，Ping Liu，Wei Li，Xinkuan Liu，Xiaohong Chen，Deng Pan， Weijie Lu，Di Zhang，Microstucture and mechanical properties variation of TiB/Ti matrix composite by thermo-mechanical processing in beta phase fieid Journai of Alloys and Compounds，695（2017）.

[3]Fengcang Ma，Siyao lu，Ping Liu，Wei Li，Xinkuan Deng Pan， Weijie Lu，Di Zhang， Strengthening effects of TiC particle and microstructure refinement in in situ TiC-reinfored Ti matrix composites，Material Characterization，127（2017）.

[4]鄒武装，谢晓光，谢湘云，等.钛手册7[Z].361-362.

[5]王晓燕，郭洪镇，袁士，等.等温锻造对TC18钛合金组织性能的影响[J].锻压技术，2008，6（3）：8.