熱等靜壓工藝參數(shù)對(duì)ZTC4鈦合金力學(xué)性能的影響

趙嘉琪，楊偉光，南 海，吳國(guó)清

（1北京航空材料研究院，北京100095；2北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

熱等靜壓工藝參數(shù)對(duì)ZTC4鈦合金力學(xué)性能的影響

趙嘉琪1，楊偉光2，南 海1，吳國(guó)清2

（1北京航空材料研究院，北京100095；2北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

為了使ZTC4鈦合金鑄件具有較優(yōu)的力學(xué)性能，系統(tǒng)地研究了熱等靜壓溫度、時(shí)間、壓力等工藝參數(shù)對(duì)ZTC4鈦合金鑄板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：熱等靜壓工藝參數(shù)變化對(duì)ZTC4鈦合金室溫拉伸性能、彎曲性能都有影響，其中對(duì)ZTC4鈦合金伸長(zhǎng)率的影響最為明顯，但對(duì)沖擊性能影響不顯著。綜合考慮各因素，在920℃／125MPa／2h熱等靜壓工藝條件下可使ZTC4鈦合金鑄件獲得較好的綜合力學(xué)性能。

熱等靜壓；鈦合金；力學(xué)性能

ZTC4鑄造鈦合金具有密度低，熱處理工藝簡(jiǎn)單，在保持較高強(qiáng)度水平下具有韌性好、疲勞強(qiáng)度高、耐蝕性以及與復(fù)合材料有良好相容性等優(yōu)良的綜合性能，在航空、航天、航海以及化工等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，更是大型飛機(jī)中大型薄壁復(fù)雜非對(duì)稱精密鑄件的首選材料之一［1－4］。然而，鈦合金鑄件也容易產(chǎn)生縮松、縮孔以及氣孔等缺陷，這些缺陷直接影響鑄件性能，成為鑄件失效的隱患。熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）是20世紀(jì)70年代在國(guó)外發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)熱等靜壓過(guò)程中的高溫、高壓可以使鑄件內(nèi)部的封閉氣孔、縮松被壓實(shí)閉合，并擴(kuò)散結(jié)合成致密的組織，使鑄件的缺陷得到修復(fù)，從而消除鑄件內(nèi)部孔洞類缺陷，提高鑄件的力學(xué)性能［5］，因此，被廣泛地用于鈦合金鑄件的處理中。

熱等靜壓過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，首先是氣孔體積的收縮和閉合，在此階段金屬向氣孔內(nèi)部發(fā)生塑性流動(dòng)，將氣孔壓合；然后合金元素發(fā)生擴(kuò)散與蠕變，這一階段中原先氣孔壓合后形成的表面發(fā)生完全的冶金連接，這樣既消除了氣孔，又不會(huì)在壓合處形成平面裂紋。但是，由于熱等靜壓處理溫度較高，在熱等靜壓工藝處理過(guò)程中鈦合金鑄件內(nèi)部缺陷得到修復(fù)的同時(shí)，會(huì)不同程度地發(fā)生晶粒粗大，這在一定程度上抵消了熱等靜壓帶來(lái)的對(duì)鑄件性能的積極影響［6－10］。然而，晶粒的粗大與熱等靜壓工藝參數(shù)息息相關(guān)，而目前就熱等靜壓溫度、時(shí)間、壓力等對(duì)ZTC4鈦合金組織和性能影響的研究還很少。因此，本工作開展了熱等靜壓溫度、時(shí)間、壓力對(duì)鈦合金拉伸性能、彎曲性能以及沖擊性能的影響的研究，這為精確控制熱等靜壓工藝，進(jìn)一步提高鑄件的綜合性能提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

采用離心鑄造ZTC4鈦合金板為研究材料，鑄板規(guī)格為300mm×110mm×6mm，其化學(xué)成分達(dá)到了GJB2896A—2007《鈦及鈦合金熔模精密鑄造規(guī)范》的要求，具體成分如表1所示。

表1 ZTC4合金鑄板元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical compositions of ZTC4 alloy（mass fraction／%）

采用QIH－16型熱等靜壓設(shè)備進(jìn)行熱等靜壓實(shí)驗(yàn)，在900～940℃，110～140MPa，1～3h范圍內(nèi)研究了熱等靜壓溫度、時(shí)間、壓力3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)ZTC4鈦合金組織的影響。設(shè)備升溫速率為10℃／min，升壓速率為1MPa／s。熱等靜壓工藝試驗(yàn)參數(shù)的選擇如表2所示，ZTC4鑄板隨爐冷卻至300℃以下出爐，傳壓介質(zhì)為氬氣，每爐試樣數(shù)5個(gè)。

表2 熱等靜壓試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 2 Experiment scheme of HIP treatment

拉伸和彎曲試驗(yàn)在SANS CMT5504試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.5mm／min。沖擊試驗(yàn)在 SANS ZBC2000試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊速率為12.5m／s。拉伸試樣和沖擊試樣分別按北京航空材料研究院2591－S017和2591－S041標(biāo)準(zhǔn)加工，彎曲試樣按照 GBT14452－93《金屬?gòu)澢W(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行加工。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱等靜壓工藝對(duì)ZTC4鈦合金室溫拉伸性能的影響

本工作在900～940℃，110～140MPa，1～3h范圍內(nèi)研究了熱等靜壓工藝參數(shù)變化對(duì)ZTC4鈦合金室溫力學(xué)性能的影響規(guī)律。圖1～3分別給出了熱等靜壓溫度、時(shí)間和壓力對(duì)ZTC4鈦合金室溫拉伸性能的影響曲線。可以看出，溫度和時(shí)間對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響基本一致，表現(xiàn)出隨著溫度的升高或者時(shí)間的延長(zhǎng)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度有一定程度的下降，強(qiáng)度變化范圍在30～40MPa之間。而熱等靜壓壓力對(duì)室溫拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律表現(xiàn)為隨著壓力的增加屈服強(qiáng)度一直下降，而且屈服強(qiáng)度在125～140MPa范圍內(nèi)的波動(dòng)明顯高于110～125MPa范圍內(nèi)，而抗拉強(qiáng)度卻呈現(xiàn)出隨壓力升高先增加后降低的趨勢(shì)。熱等靜壓工藝參數(shù)的變化對(duì)ZTC4鈦合金伸長(zhǎng)率的影響較為明顯，隨著溫度的升高、壓力的增大或者時(shí)間的延長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)出先增加后降低的規(guī)律，并在溫度為920℃，時(shí)間為2h和壓力為125MPa處存在極值。

圖1 熱等靜壓工藝參數(shù)對(duì)屈服強(qiáng)度的影響（a）溫度；（b）時(shí)間；（c）壓力Fig.1 Effects of HIP parameters on the yield strength of ZTC4alloy（a）temperature；（b）holding time；（c）pressure

2.2 熱等靜壓工藝對(duì)ZTC4鈦合金室溫彎曲性能的影響

圖4，5分別給出了熱等靜壓溫度、時(shí)間和壓力對(duì)ZTC4鈦合金室溫彎曲性能的影響曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的升高、壓力的增大或者時(shí)間的延長(zhǎng)，ZTC4鈦合金的規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力和抗彎強(qiáng)度基本上都略有提高，其中的一個(gè)例外是經(jīng)過(guò)940℃處理的鑄板的規(guī)定非比例彎曲應(yīng)力相比920℃處理的鑄板略有下降，但是降幅不大，在3%左右。

2.3 熱等靜壓工藝對(duì)ZTC4鈦合金室溫沖擊性能的影響

圖6分別給出了熱等靜壓溫度、壓力和時(shí)間對(duì)ZTC4鈦合金室溫沖擊性能的影響曲線。從圖6可以看出，沖擊韌性數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍較小，熱等靜壓工藝參數(shù)溫度、時(shí)間和壓力的變化對(duì)沖擊韌性的影響均不明顯。

2.4 討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，熱等靜壓工藝參數(shù)變化對(duì)ZTC4鈦合金室溫拉伸性能、彎曲性能存在影響，但對(duì)沖擊性能影響不大，其中對(duì)ZTC4鈦合金的伸長(zhǎng)率的影響最為明顯。將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與國(guó)軍標(biāo)要求對(duì)比，當(dāng)溫度選擇900℃和940℃時(shí)，如圖3（a）所示伸長(zhǎng)率剛達(dá)到國(guó)軍標(biāo)的要求（大于5%）；當(dāng)時(shí)間選擇3h時(shí)，如圖1（b）所示屈服強(qiáng)度未達(dá)到國(guó)軍標(biāo)的要求（765MPa）；當(dāng)壓力選擇140MPa時(shí)，如圖3（c）所示伸長(zhǎng)率低于國(guó)軍標(biāo)的要求（大于5%），如圖1（c）所示屈服強(qiáng)度低于國(guó)軍標(biāo)的要求（765MPa）。因此，在選擇工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)避免選擇過(guò)高的壓力，并且熱等靜壓時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，溫度不宜過(guò)低。在920℃／125MPa／2h熱等靜壓工藝條件下獲得了較好的綜合力學(xué)性能。

表3所示為熱等靜壓前后ZTC4鈦合金室溫力學(xué)性能，鑄造態(tài)ZTC4鈦合金的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別是753，891MPa和3.45%，經(jīng)過(guò)溫度為920℃，時(shí)間為2h和壓力為125MPa的熱等靜壓工藝處理后ZTC4鑄件的室溫拉伸屈服強(qiáng)度提高了30MPa左右，抗拉強(qiáng)度小幅下降，伸長(zhǎng)率大幅度提高。這主要是因?yàn)闊岬褥o壓后鑄件中宏觀和微觀鑄造缺陷得到愈合，提高了承受載荷的截面積，缺陷處優(yōu)先形變屈服的現(xiàn)象得到抑制，使得合金達(dá)到規(guī)定非比例拉伸強(qiáng)度所需要的載荷加大，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度提高了。同時(shí)，由于縮松、氣孔、縮孔等鑄造缺陷得到壓合，并且壓合處金屬產(chǎn)生擴(kuò)散，發(fā)生冶金結(jié)合，壓合處的平面裂紋產(chǎn)生得到抑制，在拉伸過(guò)程中，裂紋的形成較之前更為困難，伸長(zhǎng)率得到提高。然而，在熱等靜壓過(guò)程中，晶粒尺寸增加，片層間距變寬，同時(shí)合金內(nèi)部位錯(cuò)密度下降，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，這導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度稍有下降。

表3 熱等靜壓前后ZTC4鈦合金室溫力學(xué)性能的對(duì)比Table 3 Mechanical properties of as－casting and HIPed ZTC4alloy

考慮到實(shí)際工況條件，建議ZTC4鈦合金鑄件的熱等靜壓工藝為：溫度920℃±10℃，壓力120MPa±10MPa，時(shí)間1～2h。

3 結(jié)論

（1）熱等靜壓工藝參數(shù)變化對(duì)ZTC4鈦合金室溫拉伸性能、彎曲性能存在影響，但對(duì)沖擊性能影響不大，其中對(duì)ZTC4鈦合金的伸長(zhǎng)率的影響最為明顯。在選擇工藝參數(shù)時(shí)，應(yīng)避免選擇過(guò)高的壓力，并且熱等靜壓時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，溫度不宜過(guò)低。

（2）在920℃／125MPa／2h熱等靜壓工藝條件下的確獲得了較好的綜合力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度為782.1MPa，抗 拉 強(qiáng) 度 為 876.5MPa，伸 長(zhǎng) 率 達(dá) 到5.73%，在該工藝條件下，彎曲性能和沖擊性能適中。考慮上述因素和實(shí)際工況，建議ZTC4鈦合金的熱等靜壓工藝為：溫度920℃±10℃，壓力120MPa±10MPa，時(shí)間1～2h。

［1］ LEYENS C，PERERS M.Titanium and Titanium Alloys：Fundamentals and Applications［M］.WILEY－VCH：Verlag GmbH ＆Co，2003.8－12.

［2］ 張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.68－69.

［3］ 謝成木.鈦及鈦合金鑄造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.314－318.

［4］ 南海，謝成木，魏華勝，等.大型復(fù)雜薄壁類鈦合金精鑄件的研制［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2001，（2）：12－14.

［5］ SAMAROV，SELIVERSTOV.HIP modeling of complex shape parts：experience，trends and perspectives［A］.Powder Metallurgy World Congress（PM’94）［C］.Paris：European Powder Metallurgy Association，1994.771－774.

［6］ HEBESUEN J C.HIP casting densification［A］.Pressure Vessels and Piping（PVP）Conference［C］.New York：ASME，1999.125－138.

［7］ 張滿，南海，黃東，等.鈦合金鑄件的熱等靜壓和氫處理工藝研究［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2002，（5）：1－3.

［8］ 王曉林，王蘭芳，朱仲忍，等.熱等靜壓處理對(duì)TC10合金鑄造組織與性能的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2005，10（增刊）：34－37.

［9］ 史昆，謝華生，趙軍，等.熱等靜壓對(duì)超低溫 Ti－5Al－2.5SnELI合金鑄造組織和性能的影響［J］.鑄造，2009，58（7）：659－661.

［10］ 王小娥，王紅紅.熱等靜壓處理對(duì)ZT4鈦合金精鑄件組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，1992，（4）：30－34.

Effects of Hot Isostatic Pressing Treatment Parameters on Mechanical Properties of ZTC4Casting Titanium Alloy

ZHAO Jia－qi1，YANG Wei－guang2，NAN Hai1，WU Guo－qing2
（1Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

In order to obtain the best mechanical properties of ZTC4alloy casting，effects of hot isostatic pressing treatment parameters（temperature，time and pressure）on microstructure of ZTC4 casting titanium alloy were investigated systemically.The results show that the room temperature tension and bend properties are obviously affected by the hot isostatic pressing treatment parameters，especially the elongation of ZTC4alloy，but the impact property is affected slightly.The casting show the best mechanical properties when they are HIP at 920℃for 2hwith the pressure of 125MPa，by consideration of all the conditions.

hot isostatic pressing；titanium alloy；mechanical property

TG166.9

A

1001－4381（2011）10－0042－05

北京市科技新星計(jì)劃（2007B016）；教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（IRT0805）

2010－09－01；

2011－02－27

趙嘉琪（1980—），男，工程師，碩士，從事鈦合金鑄造方面的研究，聯(lián)系地址：北京航空材料研究院鑄鈦技術(shù)中心，北京市81信箱21分箱鑄鈦技術(shù)中心（100095），E－mail：zhaojiaqi＠sina.com.cn