β 退火的低温退火温度对TC32合金组织和性能的影响

2023-06-19张元东张安车安达江西景航航空锻铸有限公司

锻造与冲压 2023年11期

文／张元东，张安，车安达·江西景航航空锻铸有限公司

王晓巍，李东宽·沈阳飞机工业(集团)有限公司

TC32 钛合金是中国航发航材院自主研发的中高强高韧α+β 型钛合金，其名义成分为Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1S。根据不同的热加工工艺，TC32 钛合金可获得不同的组织和性能：采用两相区锻造＋双重退火热处理，锻件可获得α+β组织，其综合性能与同组织状态的TA15 相当，具有较高的强韧性和强塑性匹配；采用准β 锻造＋双重退火热处理，锻件可获得网篮组织，其综合性能与同组织状态的TC21 相当，具有较高的断裂韧性和较好的塑性；采用两相区锻造+β 退火热处理，其综合性能与TC4-DT 相当，具有很高的断裂韧性，同时有较高的强度和较好的塑性。针对TC32 合金的热处理特性，我公司开展了β 退火后的低温退火温度的研究，以指导热加工方案的制定。

试验用原材料

采用TC32 钛合金φ380mm 规格圆棒材，测定其相变点温度为Tβ=(908±3)℃。使用锯床下φ380mm×100mm的棒料，按照某标准要求对棒料进行热处理(880℃，保温2h，空冷；550℃，保温6h，空冷)。热处理后，显微组织如图1 所示，低倍组织如图2 所示，室温力学性能见表1，高温拉伸性能见表2。

图1 原材料热处理前和热处理后显微组织

图2 原材料热处理后低倍组织

表1 原材料热处理后的室温力学性能

表2 原材料热处理后的高温拉伸性能

低温退火温度工艺试验

下料

用φ380mm×85mm的棒料，沿原材料十字中心一分四均匀锯开，加工出特定规格坯料4 件，并标记编号(1-B，2-B，3-B，4-B)，如图3 所示。

图3 试验用棒料锯料示意图

锻造

⑴加热：选用高温电炉(II 类炉及以上，炉温均匀性精度±5℃)进行锻造前加热，加热参数按图4所示；

图4 锻造加热曲线

⑵锻造：锻造设备选用1000t 快锻，将厚度85mm下压至50mm(锻造变形量约40%)，锻后空冷，并用钢印打上原有标识。

热处理

⑴高温退火：Tβ-30℃保温75min 后，随炉升温至Tβ+15℃保温35min，冷却方式：空冷，加热曲线按图5 所示；

图5 β 退火高温加热曲线

⑵选用中温电炉(Ⅲ类炉及以上，炉温均匀性精度±10℃)进行低温退火，保温时间及加热温度按表3 所示，低温退火后空冷。

表3 锻造温度试验试块锻造前加热制度

检验

锻件理化项目按表4 所示，取样位置按图6 所示。

图6 β 退火试验理化检测取样图

表4 工艺试验理化检测项目表

结果和分析

显微组织对比

试块经过4 种温度的低温热处理后，得到的显微组织如图7 ～图10 所示。经β 退火热处理的TC32钛合金显微组织为片层组织特征，具有较大的β 晶粒，在β 晶粒内存在不同取向的由α 片层构成的α 集束。在不同低温退火温度情况下，显微组织未出现明显差异。

图7 β 退火试验编号1-B 对应的显微组织

图8 β 退火试验编号2-B 对应的显微组织

图9 β 退火试验编号3-B 对应的显微组织

图10 β 退火试验编号4-B 对应的显微组织

力学性能对比

试块经4 种温度的低温热处理后，准β 退火试验拉伸性能理化检测结果见表5，从图11 可以看出，4 种温度的低温热处理下室温拉伸满足标准要求，富裕量大。而且根据室温抗拉强度和塑性的变化规律，可以看出低温热处理温度在560℃左右时强塑性匹配较好。

图11 准β 退火试验1/4 厚度处横向平均室温力学性能折线图

表5 准β 退火试验拉伸性能理化检测结果

图12 为不同温度的低温热处理对平均室温冲击性能的影响，可以看出随着温度的升高，试块的冲击性能先升高后降低，表明在560℃低温热处理时得到了较高的冲击韧性。

图12 准β 退火试验1/4 厚度处横向平均冲击性能折线图

试样经不同温度低温热处理后，1/4 和1/2 厚度处横向平均高温力学性能如图13 所示，在同一取样位置处，520℃热处理温度下，平均高温塑性值最高；580℃热处理温度下，平均高温塑性值出现较大幅度下降，强度值变化规律不明显。在不同取样位置处，1/4 取样厚度处和1/2 取样厚度处力学性能变化规律基本一致，且均符合标准要求。

图13 准β 退火试验1/4 和1/2 厚度处横向平均高温力学性能折线图

试样经不同热处理方式冷却后，断裂韧性检测结果如表6 所示，试块1-B 的断裂韧性达到99MPa ·m1/2以上，试块2-B 的断裂韧性达到100MPa·m1/2以上，试块3-B的断裂韧性达到101MPa·m1/2以上，试块4-B的断裂韧性达到103MPa·m1/2以上，可满足标准要求的80MPa·m1/2。