TC11钛合金热处理质量控制

王雨辰,毛 喆

(1.西北工业大学 伦敦玛丽女王大学工程学院,陕西 西安 710129;2.郑州飞机装备有限责任公司,河南 郑州 450005)

TC11钛合金是α+β双相合金,在500 ℃以下有优异的高温强度、蠕变抗力等热强性能;同时还具有比强度高、中温性能好、耐腐蚀和重量轻等优点,已广泛用于航空发动机的压气机盘和叶片等零件以及飞机结构件。TC11钛合金的性能与其组织密切相关[1],而热处理对TC11钛合金的组织结构有重要影响。因而,本文就如何控制TC11钛合金热处理的质量进行了研究。

1 材料成分和工艺

1.1 化学成分

TC11钛合金的化学成分为(质量分数,%): 5.8～7.0 Al,2.8～3.8 Mo,0.8～2.0 Zr,0.20～0.35 Si,余量Ti。

1.2 加工工艺

TC11钛合金既含有稳定体心立方晶格α相的Al、Zr,同时也含有稳定密排六方晶格β相的Mo、Si。α、β两相同时强化,使TC11成为α+β型钛合金。在退火状态下,α+β型钛合金具有良好的强度和塑性匹配,因此TC11钛合金一般在退火状态下使用。其加工工艺路线通常为:供料→粗加工→双重退火→精加工→去应力退火→表面处理。

因双重退火在箱式电阻炉中进行,加热冷却过程中钛合金会发生氧化。氧会与钛形成固溶体而导致钛晶格畸变,阻碍了位错运动,使得制件塑性下降、脆性增大,故双重退火前的粗加工制件,每处留有加工余量不小于1 mm,便于后续加工中能去除钛的氧化物。钛合金的含氧层在双重退火后的精加工过程中去除。

1.2.1双重退火

标准GJB 3763A—2004《钛及钛合金热处理》中对TC11钛合金双重退火的工艺规范为:采用箱式电阻炉在950～980 ℃保温60～120 min,空冷;然后在530～580 ℃保温4～6 h,空冷。检验试样的拉伸强度σb≥1030 MPa、伸长率δ5≥8%。

1.2.2去应力退火

机械加工后存在应力,残余应力会引发翘曲或扭曲变形,甚至开裂。对TC11钛合金进行精加工后,应对其进行去应力退火处理,以最终消除机械加工应力。因此时零件为最终尺寸,去应力退火处理一般采用真空炉在530～580 ℃保温1～2 h,随炉冷至100 ℃以下出炉空冷。

2 热处理常见问题

2.1 抗拉强度低

在进行双重退火工艺时,若空冷阶段制件冷却速度缓慢,会导致合金中β相向α相转变,使得α相从β相中大量析出,得到不良的显微组织,进而导致制件抗拉强度偏低。

案例:某批TC11钛合金制件在进行双重退火后,对随炉试样进行拉伸性能检测,其试验结果为:抗拉强度σb为960 MPa,伸长率δ5为14%,其中抗拉强度不符合σb≥1030 MPa的要求。复查本批TC11钛合金双重退火的操作过程:采用台车电阻炉加热至960 ℃保温100 min后空冷;次日,再使用该设备在550 ℃保温5 h后空冷。实验人员反映,因当日设备冲突,没有550 ℃的箱式电阻炉,将台车炉炉底开出后就断电,次日开始第二次退火。金相组织观察发现,显微组织中有大量块状α相,且与β呈交错层状排列。

TC11钛合金双重退火的目的是使第一次退火加热温度高于或接近再结晶终了温度,使α相和β相两相均发生再结晶。但β相再结晶相对α相再结晶有一定阻碍作用,同时由于α/β界面相发生α→β相变使β相增多,使β相成为合金的基体,α相溶入在β相内,待空冷后,因再结晶的β相析出次生α相,得到β基体上分布着α相的组织。因在冷却中会产生一部分斜方马氏体α′′(′′表示斜方结构),再次退火加热使α′′分解为α相和β相[2],最终得到转变的β基体上分布着等轴次生α相组织。由于β相比较稳定,β→α转变缓慢,空冷会阻止α相的析出,故退火后采用空冷获得单一β相组织。而在本批零件操作中,操作者将零件随炉底一起空冷,台车炉的炉底面还有三相加热电阻丝的一组,在这种情况下,制件无法实现正常的空冷,导致冷却缓慢。在这一冷却过程中,不仅发生了β→α转变,还使α相从β相中大量析出,得到了上述不良的显微组织,进而导致制件抗拉强度偏低。

结合上述分析,将该批制件重新按原工艺规程进行双重退火,在第一次退火空冷时,将制件散放在地面,保证空气流通。再次检测该批制件的抗拉强度σb为1120 MPa,伸长率δ5为11%,满足了技术要求。

2.2 伸长率不合格

若合金在空冷的过程中形成魏氏组织,其等轴α相含量减少,伸长率也会降低,从而导致制件伸长率不合格。

案例:某批TC11钛合金制件双重退火操作过程如下:采用箱式电阻炉在980 ℃保温95 min后空冷至室温,再使用箱式电阻炉在560 ℃保温5 h后空冷。拉伸检测结果为:抗拉强度σb为1080 MPa, 伸长率δ5为6%,其中伸长率不满足δ5≥8%的要求。复查操作过程,没有发现违规操作的情况。金相组织分析时发现,β晶粒尺寸粗大、晶界完整,但在β晶界上分布着连续的α相,且β晶内α相呈细长平直的块状。

其显微组织是典型的魏氏组织,其形成原因是加热温度超过α+β相的相变点,达到了β转变温度。由于β相中原子的扩散系数大,加热温度超过相变点后,β相的长大倾向严重,形成粗大晶粒组织。TC11钛合金名义β转变温度为1000 ℃[3],本次操作加热温度为980 ℃,所用电阻炉为炉温均匀性±10 ℃的III类炉,理论上不会达到β转变温度。实际上,对于不同甚至同一炉次的相同合金,由于其成分上的波动(包括所含氧、氮等杂质元素的差异),其β转变温度可能相差5～70 ℃不等,一般相差40 ℃左右[4]。由于本批TC11钛合金的β转变温度偏低,加热时超过了相变点,空冷后形成魏氏组织,α相呈块状而非等轴。合金中等轴α相的含量与其塑性有一定的关系[5],总体表现为等轴α相含量越高,其塑性越好,即伸长率越高。本批制件因退火后形成魏氏组织,导致伸长率不合格。

为了缩小实际β转变温度与名义β转变温度的偏差,可降低加热温度区间。对本批制件重新进行双重退火,第一次退火加热温度设定为950 ℃,其余工艺参数不变。再次检测该批制件的抗拉强度σb为1100 MPa, 伸长率δ5为10%,符合工艺标准。

2.3 去应力退火氧化严重

TC11钛合金经过双重退火后要进行精加工,加工完成后制件表面存在应力,还需要进行去应力退火。钛合金与氧气形成的富氧层塑性差、易剥落[6],为了避免制件使用过程中发生断裂失效,应防止在去应力退火过程中TC11钛合金被严重氧化。标准HB/Z 137—2004《钛及钛合金热处理》中4.1.2.6条规定:“在惰性气体中或真空中加热的钛及钛合金表面出现淡黄色氧化膜时可不清除,若要清除,可不去除基体金属。钛及钛合金表面存在淡紫色、蓝色或灰色氧化膜时应清除,并去除一定深度的基体金属。”由此可见,对于TC11钛合金去应力退火表面有淡黄色氧化膜是允许的,零件已加工到最终尺寸,无法去除基体金属,若出现其他较重的氧化情况,只能按报废处理。在实际生产过程中,造成去应力退火后氧化严重的主要原因是真空炉的真空度不够高,不能满足标准GJB 3763A—2004《钛及钛合金热处理》中规定的真空度不大于6.7×10-2Pa的要求。造成真空度不够的主要原因是真空退火炉真空泵长期工作,内部零件磨损与老化严重,因此设备气密性降低,无法达到真空度的要求[7],从而导致TC11钛合金去应力退火后氧化严重而报废。

3 控制措施

3.1 工艺规程细化

工艺规程是指导实际生产操作的重要技术文件[8]。其本质是为了得到技术状态项目的预期结果,而要求使用的特种程序和专项制造技艺,是实验人员、检验人员和现场管理人员都应共同遵守的准则。因此,在工艺规程中,应对易出现质量问题的环节进行明确要求[9]。在进行TC11钛合金的热处理工作时,应着重进行以下操作:

1)降低高温加热温度区间。

TC11钛合金在α+β区加热保温是为了使合金进行再结晶。该钛合金再结晶开始温度为900 ℃,结束温度为980 ℃。考虑到每批材料实际β转变温度与名义β转变温度有偏差。故可对原950～980 ℃加热温度区间降低至950～960 ℃,可保证TC11钛合金再结晶充分的情况下,最大限度避免双重退火后出现魏氏组织。

2)强调空冷环节。

为了减少魏氏组织的形成,保证制件的伸长率,应在工艺规程上明确要求:双重退火后的空冷,要求零件散放在空地处,且保证通风,也可采取压缩空气进行强制风冷。严禁制件在空冷过程中堆放或堆叠在加热炉底面上。

3)缩短压升率检查周期。

标准GJB 509B—2008《热处理工艺质量控制》中5.2.4条规定:“在连续使用的情况下冷态压升率的检验周期每月不少于一次……。”一般实验室都将真空热处理炉的冷态压升率的检验周期定为一个月,真空淬火炉、真空退火炉亦如此。考虑到真空退火炉对TC11钛合金去应力退火的重要性,若炉膛出现漏气,钛合金便会出现严重氧化,这将会造成整批制件的报废。为此,应缩短检验周期,将真空退火炉的冷态压升率的检验周期控制在半个月,以便出现漏气故障时能及时发现并采取应对方案。

3.2 合理安排生产

有序规范的生产安排,是产品加工质量的保证。对于各环节衔接紧密的热处理操作来说,规范生产更为重要。在实际生产过程中,热处理车间调度室应平衡当天生产任务,进行生产策划,确保相关资源的提供,保证热处理生产均衡有序的生产。对于TC11钛合金的热处理,应考虑双重退火后制件冷却的区域、通风等因素,避免生产组织无序而导致质量问题的发生。

3.3 加强操作人员的质量意识

质量意识能够反映操作人员对质量的认识和对质量问题的态度。实验操作人员的质量态度和行为取向,对产品质量有着直接影响。工艺规程不论要求多么详细,相关人员若持无所谓、差不多的态度,心存侥幸的操作,就会导致低级的质量问题重复出现。因此,应加强热处理操作人员的质量意识教育,让操作者明确按工艺规程操作的重要性和违规操作的后果[10]。同时,要加强热处理操作间的工艺纪律检查。真空退火炉压升率的按期检验、各类设备炉温均匀性的测定和现场实际操作的规范性,都是工艺纪律检查的重点。通过质量意识教育,日常监督检查,让操作人员遵守工艺纪律,保证规范操作[11],进而形成良好的质量氛围。

4 结语

TC11钛合金的热处理工艺与成品质量息息相关,对操作人员的技能要求不高,但对各环节的操作都应严格遵守和控制,否则会导致制件的性能不合格而影响实验或生产进程,严重时还会导致制件批次性的报废。TC11钛合金的热处理应将双重退火中高温加热温度控制在950～960 ℃;双重退火后的空冷应使制件散放在通风处进行,必要可采取强制空冷;在去应力退火的工艺流程中,真空炉的压升率检验周期为每半月一次;最后通过合理有序安排实验进程,规范实验操作,强化操作人员质量意识,保证TC11钛合金热处理质量长期稳定可靠。