Al含量对β锻造TC25钛合金环形锻件力学性能的影响

文／杨家典，罗鸿飞，王清，胡元伟，边红岩，卢熠·贵州航宇科技发展股份有限公司

本文介绍TC25不同Al含量原材料对环形锻件β锻造的力学性能影响研究，采用同一原材料厂商不同Al含量原材料通过相同的锻造和热处理工艺，解剖试验锻件研究不同Al含量原材料与β锻造环形锻件力学性能的关系。从而掌握此材料特性，积累数据，提出对原材料的管理和控制，完善标准，提高锻件的力学性能。

TC25钛合金属于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系的变形马氏体型α+β两相钛合金。合金中含有钼、钨等高熔点的元素，热强性、耐热性很好。TC25是我国自主研制的材料，由于这种材料的室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等匹配较好，各项性能优良，因此主要用于航空发动机上高压压气机盘件、机匣类等重要零件。

TC25较其他钛合金的突出优点是工作使用温度达500～550℃，在500℃以下工作时间达6000h，在550℃以下工作时间达3000h，是发动机的首选的材料之一。因此此材料锻件对性能的要求比航空发动机上其他α+β两相钛合金材料高。

TC25锻件一般要求β锻造并按β锻造指标验收的锻件为模锻件，因为采用模具整体闷模成形便于控制温度的变化。目前也有要求环形锻件按β锻造工艺进行环轧并按β锻造指标验收的产品，但之前研究较少，在试验生产过程中，由于化学成分的波动导致相同锻造和热处理工艺生产的试验锻件出现力学性能没有富余并不满足要求的情况。本文主要阐述通过不同Al含量原材料对环形锻件β锻造的力学性能影响的研究，优化化学成分方案，提高锻件力学性能。

β锻环形锻件的化学成分及力学性能指标

TC25的化学成分及力学性能指标如表1、表2所示。

试验方案

试验原材料为同一厂商提供，其Al元素含量分别为6.4%、6.8%、7.2%，其他元素差异较小。锻造及热处理生产工艺方案如表3所示。

表1 化学成分（wt.%）

表2 力学性能

表3 锻造机热处理工艺方案

试验结果及分析

⑴低高倍组织。

三组方案经过锻造及热处理后低高倍组织非常接近，500倍的高倍组织也很接近，1000倍的高倍组织观察到Al含量高时片状α(α2)相对粗化，但均能满足标准的要求，任取一组的组织照片如图1、图2所示。

⑵力学性能。

图1 低高倍图片

图2 不同Al含量的高倍图片

力学性能检测结果如表4所示。

⑶试验结果分析。

从上面的力学性能数据可以看出，室温拉伸和热稳定延伸率及断面收缩率出现不满足标准要求的情况，经过热稳定处理后，相对室温拉伸热稳定性能呈下降的趋势，并且随着Al含量的增加，室温拉伸和热稳定延伸率及断面收缩率也呈逐渐下降的趋势。

表4 力学性能检测结果

从高倍组织可知大部分视场得到网篮组织，但同时存在局部的等轴组织，组织为β转+条状α(α1)+等轴α(α1)+片状α(α2)。环形锻件经过β锻造及热处理后会得到网篮组织+等轴组织，网篮组织是在等轴组织基础上降低塑性而提高强度和断裂韧性，所有上述力学性能数据会存在一定的波动。

结论

通过三种不同Al元素含量的试验件生产，可知随着Al含量的增加，室温拉伸和热稳定延伸率及断面收缩率也呈逐渐下降的趋势。Al元素属于α相的稳定元素，锻造、热处理和冷却过程促进β相向α1及α2相转变，而α2相脆性趋向大，α2相含量多拉伸过程容易脆断造成延伸率及断面收缩率低。结合上述检测的力学性能数据，若生产β锻轧制并按β锻指标验收的环形锻件需将Al元素含量控制在6.2%～6.9%为宜。