TC11鈦合金高溫持久性能影響因素探討

陳曉志

(中國南方航空工業(集團)有限公司,湖南株洲 412002)

TC11鈦合金高溫持久性能影響因素探討

陳曉志

(中國南方航空工業(集團)有限公司,湖南株洲 412002)

TC11鈦合金制成的長拉緊螺栓經自由鍛造后進行雙重退火熱處理,取零件加工成標準試樣進行高溫持久性能試驗不合格,本文從熱處理工藝機理、TC11鈦合金雙重退火后的顯微組織對比及返修試驗分析了影響TC11鈦合金高溫持久性能的工藝因素,為TC11鈦合金熱處理加工過程控制提供有效指導。

TC11鈦合金 雙重退火 熱處理 高溫持久性能

1 概述

長拉緊螺栓作為某型號航空發動機的承力件,要求在500℃以下都有很好的力學性能、韌性以及良好的耐腐蝕性能,長拉緊螺栓選用TC11鈦合金棒材鍛造加工。TC11鈦合金是一種綜合力學性能良好的α-β型雙相熱強鈦合金,在500℃以下有優異的熱強性能(高溫強度、蠕變抗力)等,并且具有與合金鋼材相當的室溫強度,該合金還具有良好的加工工藝性[1]。TC11鈦合金材料質量輕、具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高的特點,能減輕發動機重量來提高發動機推重比,是作為航空發動機結構件的先進材料。

2 TC11鈦合金成分與熱處理工藝

2.1 TC11鈦合金化學成分(見表1、表2)

表1 航空材料手冊要求合金成分 %

表2 TC11鈦合金材料入廠復驗成分 %

此批原材料經復驗化學成分符合航空材料手冊要求,滿足TC11鈦合金熱處理標準加工要求。

2.2 TC11鈦合金熱處理工藝

2.2.1 TC11鈦合金雙重退火熱處理工藝制度

一次退火 950℃～980℃,1～2h,空冷；

二次退火 530℃～580℃,6h,空冷。

表3 機械性能數據

表4 機械性能數據

2.2.2 TC11鈦合金熱處理工藝機理

TC11鈦合金的組織為α＋β相,選該材料加工的長拉緊螺栓要求在高溫及長期應力作用下組織和性能穩定,采用雙重退火的熱處理方法。其機理為第一次高溫退火加熱溫度高于或接近再結晶終了溫度,使再結晶充分進行,又不使晶粒明顯長大,并控制初生α相的體積分數。空冷后,組織還不夠穩定,需進行第二次低溫退火,退火溫度為低于再結晶溫度的某一溫度(約低于β相變點300～500℃),保溫較長時間,使高溫退火得到的亞穩β相充分分解,使組織更接近平衡狀態,產生一定程度的時效強化效果,以保證成品在長期服役過程中組織和性能穩定[2]。

3 零件加工情況及結果

3.1 零件加工路線

選用TC11鈦合金棒材加工長拉緊螺栓的基本工藝路線如下:原材料自由鍛造熱處理(雙重退火)機械加工穩定處理檢驗入庫此零件的驗收技術要求鍛件經熱處理后驗收,雙重退火為工藝路線中的關鍵工序,雙重退火工藝將決定零件的各項機械性能指標(σb、σ0．2、δ、ψ、ak、500℃高溫持久性能)和內部顯微組織結構。

3.2 零件雙重退火加工情況及結果

零件為鍛造桿狀,規格為φ15×242,一端墩粗為φ21×16的圓柱頭,本批零件共180件在RJX-90型箱式電阻爐中進行雙重退火熱處理,實際加工情況為:

一次退火:965℃,保溫時間70min,空冷

二次退火:530℃,保溫時間6．5h,空冷

本批零件裝爐方式為:水平堆疊擺放3層,用專用熱處理籃裝爐加熱,出爐將零件整籃取出自然空冷。加工完后抽取兩個零件加工成標準試樣進行理化性能試驗,其中每個零件加工成兩組試樣(即室溫拉伸、室溫U型缺口沖擊與高溫持久試樣各兩個)試驗結果如表3所示。

以上結果除500℃高溫持久性能都不符合要求外,其它項均符合要求。

4 分析與返修

所有試樣高溫持久性能項目達不到技術要求,首先對零件加工過程進行檢查,從鍛造到退火過程的加工基本符合工藝要求。為進一步了解原因,查閱了TC11鈦合金材料的特性,加熱溫度對材料性能敏感、熱導率小、熱容量大,α＋β→β轉變溫度為1000℃±20℃。TC11鈦合金的相轉變過程為從較高溫度快速冷卻獲得馬氏體α`,從較低溫度快速冷卻獲得馬氏體α``。在450℃以上加熱時α`或α``分解成α相和β相[3]。對于此材料的特點結合具體的加工過程的檢查分析,認為裝爐量過多、零件擺放過密,一次退火出爐后零件未分散擺放導致冷速不夠為不合格原因。因此采取措施進行返修試驗:原熱處理溫度工藝參數不變,在原設備中加工,設計專用工裝將零件之間保持一定間距垂直分散擺放,同時減少裝爐量,零件一次退火后出爐采用軸流鼓風機對零件吹風冷卻。返修后重新抽取2件零件進行理化性能試驗,具體情況見表4、表5。

表5 TC11(500℃,590 Mpa)高溫持久性能

從上面結果看出,返修后的零件硬度、沖擊韌性、斷面收縮率均有所提高,室溫強度變化不大,延伸率略有下降,室溫機械性能變化不大。在原有熱處理工藝制度不變的條件下,采取控制零件裝爐數量、改進零件裝爐方法、加快一次退火出爐后冷卻速度的控制措施,高溫持久性能提高很多,從之前的80h～90h提高到了最低110h以上,基本提高了30%以上,全部達到合格要求,整批零件返修后合格。為進一步對比分析原因,分別選兩次試驗的試樣做金相顯微組織檢查如圖1、圖2所示。

圖1 持久性能t=83.8h不合格試樣500×

圖2 持久性能t=122.7h 合格試樣500×

在兩圖中組織為在轉變β相的基體上均勻分布著白色顆粒狀初生α相,在圖2中的α相比圖1中α相要細小,且大部分呈細小顆粒狀彌散分布,析出α相粒度細小且分布均勻,α相的彌散度要高,組織穩定性好、彌散強化效果也好,結果高溫持久性能好；說明采取分散擺放裝爐、一次退火后強制風冷提高了出爐后冷卻速度導致TC11鈦合金在兩相區高溫連續冷卻過程中轉變析出的α相聚集長大的條件不充分呈現出α相粒度細小、數量多,彌散度高的特點。從性能試驗結果與組織對比分析可知TC11鈦合金α相分散度越高、α相的粒度越小,TC11鈦合金的高溫持久性能越好。

5 結語

通過對長拉緊螺栓的熱處理加工工藝試驗與分析,對影響TC11鈦合金高溫持久性能的因素總結如下:

(1)TC11鈦合金中α相粒度越小、分散越均勻,TC11鈦合金的高溫持久性能越好；

(2)TC11鈦合金雙重退火處理時采取分散擺放裝爐、一次退火后出爐強制風冷,析出α相粒度較小、分散度較高,則TC11鈦合金的高溫持久性能越好。

[1]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應用[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應用.北京:化學工業出版社,2005.

[3]顏鳴皋,趙進,朱之琴.中國航空材料手冊.2001:147～171.

陳曉志(1982—),男,漢族,職稱:熱處理工程師,所研究方向:金屬熱處理工藝技術工作。