热处理温度和冷却方式对TC32 合金组织和性能的影响

2023-08-25张元东江西景航航空锻铸有限公司

锻造与冲压 2023年15期

文/张元东·江西景航航空锻铸有限公司

王晓巍，王德勇·沈阳飞机工业(集团)有限公司

张安，车安达·江西景航航空锻铸有限公司

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-0.1Si，具有冲击性能高、断裂韧度高、成本低等特点。针对TC32 合金，我公司开展了热处理温度和冷却速度的研究，以指导热加工方案的制定。

试验用原材料

采用φ380mm 规格TC32 钛合金圆棒材，测定其相变点温度Tβ=(912±3)℃。下φ380mm×100mm的棒料，按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，其显微组织见图1，低倍组织见图2，室温力学性能见表1，高温拉伸性能见表2。

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

图1 原材料热处理后的显微组织

图2 原材料热处理后低倍组织

热处理温度工艺试验

下料

将φ380mm×360mm的棒料沿原材料十字中心一作四均匀锯开，加工出特定规格料4 件，并标记编号1#，2#，3#，4#，如图3 所示，选用3#料进行锻造温度试验。

图3 试验用棒料锯料示意图

试验方案

⑴将3#试块沿360mm 长度锯成3 等份，每份试块厚度控制为(117±3)mm，编号为3#-D，3#-E，3#-F。

⑵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，加热温度为(Tβ-35)℃，保温时间为90min。

⑶将厚度(117±3)mm 下压至70mm，锻造变形量约40%，锻造设备选用1000t 快锻机。

⑷锻后热处理。一次退火制度按表3 执行。二次退火制度：炉膛550℃，保温360min，出炉空冷。

表3 试验件一次退火温度对比

⑸热处理后按表4 进行取样检测，取样位置见图4，三个试验件取样位置应保持一致。

表4 工艺试验理化检测项目表

图4 锻造温度对比工艺试验理化检测取样图

结果和分析

⑴显微组织对比。

从图5 ～图7 可以看出，随着热处理温度由860℃升高到900℃，合金的初生α 相含量逐渐减少且变化非常明显，860℃时初生α 相含量约50%～60%，880℃初生α 相含量约30%～40%，900℃时初生α 相含量不足10%，说明初生α 相对温度非常敏感，生产中可根据实际需要调整热处理温度进而调控初生α 相含量，得到满足标准要求的性能值。相同热处温度不同取样位置处，等轴α 相和条状α 相的含量以及形貌稍有变化，这是表、中、心部位热量呈梯度变化的缘故。

图5 热处理温度试验3#-D 对应的显微组织

图6 热处理温度试验3#-E 对应的显微组织

图7 热处理温度试验3#-F 对应的显微组织

⑵力学性能对比。

如图8、图9 和表5 所示，随着热处理温度由860℃增加到900℃，试块1/4 取样厚度处的横向室温平均强度逐渐降低，塑性略有提高，冲击性能提升较为明显，结合图5 ～图7 的高倍结果，编号3#-D和3#-E 强度较高，可能是由于大量的初生α 相和粗片状条状α 相共同作用的结果。编号3#-F 冲击性能明显提高，这是由于近β 的热处理温度，使得大量初生α相转变为互相交织排列的细小条状α相，从而阻碍裂纹的扩展。

表5 热处理温度试验拉伸性能理化检测结果

图8 1/4 厚度处横向平均室温拉伸性能折线图

图9 1/4 厚度处横向平均室温冲击性能折线图

从图10 和表5 中可以看出，在同一取样位置处，随着热处理温度逐渐升高(由860℃提高到900℃)，合金横向高温抗拉强度有降低的趋势，横向屈服强度呈现升高的趋势，塑性整体变化不大；在不同取样位置处基本表现为1/4 取样厚度处强度高于1/2 取样厚度处，塑性两者相当。

图10 1/4 和1/2 厚度处横向平均高温力学性能折线图

从表6 中可以看出，随着热处理温度的提升，断裂韧性有明显提升的趋势。

表6 热处理温度试验断裂韧性检测结果

热处理冷却方式工艺试验

下料

选用图3中4#料进行热处理冷却方式工艺试验。

试验方案

⑴将4#试块沿360mm 长度锯成3 等份，每份试块厚度控制为(117±3)mm，编号为4#-G，4#-H，4#-I。

⑵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，加热温度为(Tβ-35)℃，保温时间为90min。

⑶将厚度(117±3)mm 下压至70mm，锻造变形量约40%，锻造设备选用1000t 快锻机。

⑷锻后热处理。一次退火：按表7 执行。二次退火：炉膛550℃，保温360min，出炉空冷。

表7 试验件一次退火后冷却方式对比

⑸热处理后检测：按表4 进行取样检测，取样位置如图4 所示，三个试验件取样位置应保持一致。

结果和分析

⑴显微组织对比。

从图11 ～图13 可以看出，显微组织中的晶粒形态呈等轴状，平均晶粒大小基本一致，均观察到了初生α 相。但在不同冷却方式下，随着冷却速度的变化(空冷、风冷、水冷)，不仅影响了合金的组织形貌，更显著改变了其显微组织尺寸。其总体规律：随着冷速的不断加大，集束尺寸、集束中的片层α 相和残余β 相尺寸均呈现大幅减小趋势；经空冷和风冷后，β 转变基体由初生α 相和不同位相的条状α相集束组成；经水冷后，β 转变基体中的条状α 相基本观察不到。

图13 热处理冷却方式试验4#-I 对应的显微组织

⑵力学性能对比。

如表8 和图14 ～图15 所示，在空冷条件下，合金强度值最低，塑性值最高；在水冷条件下，强度值出现较大幅度升高，塑性值出现大幅度下降。在空冷条件下，冲击值最高，均值达到了72J；在风冷条件下，冲击值略微降低，均值为68J；在水冷条件下，冲击值出现较大幅度降低，均值为27J。可以看出，试块经两相区热处理后的强度、塑性和冲击值对冷却速率非常敏感。随着冷却速率增加，塑性和冲击值将逐渐降低，强度逐渐增加。

表8 热处理冷却方式试验拉伸性能理化检测结果

图14 1/4 厚度处横向平均室温力学性能折线图

图15 1/4 厚度处横向平均室温冲击性能折线图

试块经不同热处理方式冷却后，1/4 和1/2 厚度处横向平均高温力学性能如图16 所示。在同一取样位置处，空冷条件下，平均高温强度值最低，塑性值最高；水冷条件下，平均高温强度值出现较大幅度升高，塑性值出现轻微下降。在不同取样位置处，1/4取样厚度处平均高温强度整体优于1/2 取样厚度处，1/2 取样厚度处平均高温塑性整体优于1/4 取样厚度处。