轧制温度对TC8M-1钛合金棒材组织和力学性能的影响

蒋纪新，张 伟，孙虎代，魏高艳，陶海林

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）

1 前言

BT8是一种Ti-Al-Mo-Si系变形热强钛合金，是苏联在20世纪50年代末为满足设计高性能航空发动机的需求而研制的。该合金具有热强度高、热稳定性好、使用寿命长等优点，广泛应用于各种涡轮发动机中。20世纪90年代，俄罗斯改进了BT8钛合金，研制出BT8-1钛合金。BT8-1钛合金（名义成分为Ti-6.3Al-1.2Sn-1.2Zr-3.2Mo-0.15Si）铝、钼当量分别为7.9和3.2，应用温度范围为450℃～500℃。为了保证合金具有更好的加工性能，俄罗斯又在BT8-1合金的基础上，研制出了可在室温下加工变形（镦粗40%）的BT8M-1合金，其主要用于制造发动机的盘和叶片，在450℃～500℃长期工作时间可达1000h以上[1]。

为适应航空工业的发展，满足航空发动机对高温钛合金的需求，我国对BT8系列（BT8、BT8-1和BT8M-1）钛合金进行了仿制，研制的TC8系列（TC8、TC8-1和TC8M-1）钛合金在燃气涡轮发动机和航空发动机上获得应用。材料的组织和性能与加工工艺有着密切的关系，通过加工工艺参数的有效控制，可以获得相应的组织，并获得良好的性能。本文研究了不同轧制温度下TC8M-1钛合金棒材的组织和性能，旨在对该合金轧制工艺的制定提供一定的依据和参考。

2 实验

2.1 实验材料

实验材料选用宝鸡钛业股份有限公司3次VAR熔炼的TC8M-1钛合金铸锭，其化学成分如表1所示。铸锭经开坯、自由锻、精锻等工序加工成Ф47mm棒坯。金相法测得棒坯相变点为970℃～980℃。棒坯的原始状态（R态）显微组织如图1所示，为典型的（α+β）两相区加工等轴组织。在轧制变形量相同的情况下，分别采用Tβ-60℃和Tβ+20℃两种轧制温度将Ф47mm棒坯轧制成直径为Ф20mm的棒材。

表1 TC8M-1钛合金铸锭的化学成分

图1 TC8M-1合金棒坯显微组织（R态）

2.2 试验方法

在不同温度轧制的TC8M-1钛合金棒材上分别切取纵向试样，并经900℃保温1.5小时，AC+580℃保温1小时，AC热处理。金相检验采用的腐蚀液为HNO3、HF和H2O的混合液，用Axiovert 200MAT金相显微镜观察显微组织，在CMT5105电子万能试验机上进行室温拉伸试验，并采用扫描电镜观察拉伸试样断口形貌。在冲击试验机上进行试样的室温冲击试验。

3 实验结果与分析

3.1 轧制温度对棒材显微组织和室温力学性能的影响

Tβ-60℃轧制时，棒材组织为α等+β转组织（如图2（a）所示），组织比较均匀，α等在45%左右，呈球形或椭球形。其余为β转组织，而β转组织包括β转基体中的细条魏氏α(α魏)和残余β(β残)。Tβ+20℃轧制时，棒材基本为α片+β转的网篮组织（如图2（b）所示），无等轴α相存在，并且存在断续晶界α。

图2 不同轧制温度下的TC8M-1钛合金棒材显微组织

不同轧制温度下TC8M-1钛合金棒材室温力学性能见表2。由力学性能对比可知，Tβ+20℃轧制棒材的室温拉伸强度和冲击韧性均略高于Tβ-60℃轧制，但是Tβ+20℃轧制棒材塑性明显降低，特别是断后延伸率和断面收缩率处于压标准线状态。

表2 不同轧制温度下的TC8M-1钛合金棒材力学性能

不同温度轧制TC8M-1棒材的性能存在较大差异，主要是因为两者显微组织变形机制不同导致的。Tβ-60℃轧制棒材组织为等轴组织，其中初生α相晶粒呈球形或椭球形，它们与基体之间的取向是任意的，因此试样在拉伸变形时位错容易找到可开动的滑移面，有利于滑移变形。而滑移变形抑制了微裂纹的形成和扩展，使合金能够承受更大的变形，获得较高的塑性[2-3]。

Tβ+20℃轧制棒材组织为网篮组织，组织中大量片状α交错编织，使相界面增加，增强了材料的抗变形能力，使得棒材抗拉强度略高于Tβ-60℃轧制棒材。同时，由于各α片取向不同，当裂纹沿相界面扩展时，遇到不同取向的α集束就要改变其方向，使其扩展路径曲折，导致裂纹扩展需要克服很大阻碍，因而棒材冲击韧性也较好。而网篮组织发生塑性变形时容易在晶界α和不同位向α集束交界处发生位错塞积，从而促进了微裂纹的形成和发展，导致了材料过早的断裂，降低了塑性[4]。

3.2 室温拉伸断口分析

图3是不同轧制温度下TC8M-1钛合金棒材室温拉伸断口形貌照片。图3（a）、3（c）为Tβ-60℃轧制棒材断口形貌，宏观拉伸断口（图3（a））断面不平整，断口区由粗糙纤维区和平滑剪切唇组成，呈明显的韧性断裂特征；微观断口（图3（c））中心区为等轴韧窝，韧窝较多、较深且分布均匀，表明合金塑性较好。图3（b）、3（d）为Tβ+20℃轧制棒材断口形貌，宏观拉伸断口（图3（b））断面相对比较平整，断口没有明显剪切唇；微观断口（图3（d））韧窝较少、较浅且局部存在平直的解理小平面，呈现准解理断裂的特征。

图3 不同轧制温度下TC8M-1钛合金室温拉伸断口形貌

试样在拉伸受力发生塑性变形时，首先在合金夹杂物颗粒或第二相界面上形成微裂纹，随着形变量增大，裂纹不断扩展，导致合金基体发生内缩颈，内缩颈达到一定程度后断裂形成韧窝。不同温度轧制棒材室温拉伸断口韧窝大小及深度存在较大差异，这主要受到了材料塑性变形能力的影响，材料塑性变形能力大，韧窝大而深，反之少而浅[5]。断口形貌分析结果与表2中室温拉伸检测结果对应一致。

4 结论

（1）TC8M-1钛合金棒材经Tβ-60℃和Tβ+20℃温度轧制后的显微组织分别为等轴组织和网篮组织。

（2）具有网篮组织的棒材其室温拉伸强度和冲击韧性均略高于等轴组织棒材，但其室温塑性较差。

（3）等轴组织棒材室温拉伸微观断口形成多而深的等轴韧窝，呈现明显的韧性断裂。而网篮组织棒材室温拉伸微观断口韧窝较少、较浅且存在平直的解理小平面，呈现准解理断裂的特征。