Ti-1023钛合金棒材的组织与性能

2022-07-29供稿杨嘉珞岳旭乔恩利张起顾忠明

金属世界 2022年4期

供稿|杨嘉珞，岳旭，乔恩利，张起，顾忠明/

Ti-1023钛合金是一种高可靠性、低成本的高强高韧性近β钛合金，名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al，具有比强度高、断裂韧性好、淬透截面大、各向异性小、锻造温度低和抗应力腐蚀能力强等优点，能够满足高可靠性和低制造成本的设计要求，因此被广泛应用于航空航天领域[1]。

基于新疆湘润大规模的工业化生产条件，熔炼出Ti-1023钛合金φ650 mm规格2 t级铸锭，经多次锻造制备为φ160 mm的棒材。本文通过对铸锭成分以及棒材宏观、微观组织和力学性能进行检验，总结出Ti-1023合金棒材合理的生产工艺，达到了预期的效果。

实验

实验采用0A级小颗粒海绵钛以及多元中间合金共投料2 t经3次真空自耗电弧炉熔炼制备成φ650 mmTi1023钛合金铸锭，主要成分(质量分数，%)V为9.0%～11.0%、Fe为1.6%～2.2%、Al为2.6%～3.4%，其余为Ti，符合GJB1538的要求。铸锭经过切冒口、切底、锯切中分后，在轴向外圆头部、中部、尾部(图1)，横截面9点位置(图2)取样，用原子发射光谱法测试其主要合金元素(Al、V、Fe)的含量和其他杂质元素。

图1 铸锭纵向表面取样点示意图

图2 铸锭横截面9点位置取样示意图

在Ti-1023钛合金铸锭头部切取适量样块，采用金相法测得α+β相/β相的转变温度为805～810 °C。铸锭整体采用“高-低-高-低”工艺路线进行加工锻造，采用45/50MN快锻机在单相区(β相区)开坯，最后锻成φ160 mm的成品棒材。

按GJB1538标准，Ti-1023钛合金棒材的组织和力学性能采用在φ160 mm棒材上沿纵向切取20 mm厚试样片和80 mm长样棒用于各项性能检测。20 mm厚试样片平端面后检查R态、β斑(785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC)和固溶时效(775 ℃×1.5 h WC+540℃×8 h AC)处理后的高低倍组织，采用ICX41M金相显微镜观察组织形貌并拍摄金相照片。80 mm长的样棒在马弗炉以775 ℃×1.5 h WC+540 ℃×8 h AC的制度进行热处理后，用H-5550K半自动带锯床在试样片D/4处切取横纵向试样坯，按标准要求机械加工成力学性能测试试样，对其进行室温力学性能拉伸检测，拉伸实验在CMT5205拉力试验机上测定。同时，对成品棒材进行接触法超声波无损探伤检测。

结果及分析

铸锭的化学成分分析

按照产品取样要求在铸锭表面纵向头部、中部、尾部和横截面9点位置进行取样，检测不同部位主要合金元素含量，测试结果显示铸锭化学成分符合相关技术标准要求。尤其是纵向表面头部和尾部两个位置的杂质元素(C、N、O、H)含量测试结果都能够满足标准范围要求，说明铸锭的纯净度很高[2]。

图3为铸锭不同部位主要合金元素化学成分统计图。取样点位置分别为铸锭外圆头、中、尾纵向表面(1～3点)，头、中和尾部3个横向截面(4～30点)。由图3可以看出，外圆面上头、中、底3点取样检测的主元素Al、V、Fe化学成分波动较小，其中Al元素含量为3.16%～3.24%；V元素含量为9.86%～10.06%；Fe元素含量为1.77%～1.89%；Al、V元素偏差不大于0.2%，其中易偏析元素Fe的偏差不大于0.12%，说明生产的铸锭轴向方向上化学成分均匀性较好；铸锭头、中、底横截面九点取样检测化学成分均可满足标准要求，主元素Al、V最大偏差不大于0.13%～0.27%，易偏析Fe元素偏差不大于0.34%。整体来看，铸锭均匀性良好，各元素成分均满足技术标准要求。

图3 Ti-1023钛合金铸锭不同位置的合金元素成分图

铸锭在采用真空自耗电弧熔炼过程中，存在易发生偏析元素Fe，可能会出现铸锭熔炼时成分不均匀或偏析现象。根据钛合金相图以及合金的凝固理论，在正常的凝固条件下，偏析系数k≥1的合金元素不易出现偏析，除非在熔炼过程中合金元素和中间合金未能充分均匀化；偏析系数k＜1的合金元素，即使熔融状态下合金是均匀的，但在凝固时同一温度下的固相成分和液相成分仍存在一定差别，液相中元素含量总是高于固相，这就导致铸锭容易在中部和头部产生偏析[3]。由图3可以看出，横截面头部中心点Fe元素含量略高，次之为中部，最后是尾部，与上述分析一致。

总体来看，Ti-1023钛合金2 t级铸锭主要合金元素化学成分分布均匀、纯净度良好，均满足铸锭的技术要求，这也表明了铸锭在原材料的选择以及对熔炼过程中的工艺控制等方面都是合理可行的。

棒材组织形貌分析

Ti-1023钛合金在φ160 mm棒材的头部、尾部位置切取试样片进行表面腐蚀后的锻态(R态)照片。

从图4可以看出，棒材的低倍组织为均匀模糊晶，不存在偏析、夹杂以及其他类冶金缺陷，说明该锻造坯料获得了充分的变形。采用4500 t快锻机大吨位压力，通过对铸锭采用“高-低-高-低”工艺路线进行多火次锻造，充分破碎铸态晶粒，坯料采用换向锻造，提高坯料的锻透性，使棒材的组织更加均匀。锻造工艺利用近β合金的β基体在快速完成再结晶时晶粒长大很缓慢这一加工特性，使金属的晶粒处于反复破碎，亚晶粒合并长大和晶界迁移过程中，最终棒材组织趋于均匀一致[4]，为棒材均匀的组织和良好的性能打下了良好的基础。

图4 φ160 mmTi-1023钛合金棒材不同位置的R态照片：(a)头部；(b)尾部

在相当于铸锭头部位置的棒材试样片上切取不同区域(边部、D/4和心部)的横向试样，观察R态和对其进行固溶加时效热处理后的显微组织，见图5和图6。从图5可以看出，棒材R态显微组织由β基体和基体上分布的均匀、细小的等轴初生α相组成，初生α相平均尺寸为3.5 μm左右，初生α相的体积分数在35%以上。从图6可以看出，经过固溶时效处理后，等轴化晶粒更显著，表明锻造变形量等工艺参数合理。

图5 φ160 mmTi-1023钛合金棒材不同位置的R态显微组织：(a)边部；(b)D/4；(c)心部

图6 φ160 mmTi-1023钛合金棒材固溶时效处理后不同位置的显微组织：(a)边部；(b)D/4；(c)心部

棒材β斑检测结果

Ti-1023钛合金Fe元素的平衡分配常数是0.3，有很大的偏析倾向。Ti-1023钛合金β斑形成的主要原因是“Fe”合金材料的局部偏析富集引起此部分β转变温度比基体下降，导致在富Fe区形成不含初生α相或α相含量相对稀少的区域，即β斑，β斑会严重影响合金的塑性和低周疲劳寿命[5-7]。

TB6合金铸锭Fe成分不均匀是形成β斑的“先天”因素，后续的热加工和热处理工艺是影响β斑产生的“后天”因素[8]。依据GJB1538中热处理工艺选择785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC制备棒材。对棒材进行观察发现宏观形貌上棒材局部无异常现象(图7)；而微观组织等轴初生α相含量约为15%，满足GJB1538中初生α相含量大于10%以上的标准要求，如图8所示。由此表明熔炼工艺和锻造工艺在控制β斑方面有一定显著效果。

图7 φ160 mmTi-1023钛合金棒材β斑检查照片

图8 φ160 mmTi-1023钛合金棒材的显微组织：(a)边部；(b)D/4；(c)心部

力学性能

φ160 mmTi-1023钛合金成品棒材的力学性能结果如表1所示(每组取两个平行试样)。

表1 φ160 mm Ti-1023钛合金棒材D/4位置处的力学性能

从表1可以清楚地看出，棒材的各项性能均符合相关指标的要求，横纵向的高塑性和强度都是均匀的，塑性较标准值有一定的富余。说明在锻造时采用适当的工艺使其有较为充分的变形，使得棒材在各个方向上组织的均匀性比较好，差异性较小。

棒材的超声波检测

采用SONATEST 380M型超声探伤仪、奥林巴斯V109探头对φ160 mm Ti-1023钛合金成品棒材的超声检测从波形来看，噪声水平不高于20%，噪声均匀，无明显缺陷信号出现，底波变化幅度小于6 dB，噪声水平为半声程φ1.2 -9 dB～-12 dB(图9)，表明成品棒材可满足GB/T5193—2007标准中的A1级要求。图9中横坐标代表深度，纵坐标代表信号高度，满屏按100%计。