Ti60 高溫鈦合金環件組織性能與分析

文／李幸福，姚彥軍，胡維賢，暢繼榮·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

Ti60 高溫鈦合金具有優良的綜合機械性能和抗蠕變性能，是我國航空及國防工業急需的新型高溫鈦合金。由于Ti60 高溫鈦合金屬于難變形材料，其鍛造加熱溫度范圍小，變形抗力和微觀組織對熱力參數敏感，因此在實際生產中鍛件組織與性能的穩定性較差。本文對Ti60 高溫鈦合金在3t 自由鍛錘進行改鍛試驗，研究其改鍛成形熱處理后的組織性能，并對該合金的鍛造熱力學參數進行優化。

在前期試制的基礎上，為了進一步考核鍛造和熱處理工藝的穩定性和合理性，在生產Ti60 高溫鈦合金環件經3t 自由鍛改鍛，在φ1200mm 擴孔機成形，熱處理后進行組織性能檢測與分析，并進行驗證性試驗。

原材料復驗

材料情況介紹

Ti60 高溫鈦合金環件原材料選取中國科學院金屬研究所和寶雞鈦業股份有限公司聯合研制的規格為φ250mm 的Ti60 高溫鈦合金棒材。材料牌號：Ti60；爐號：XXX-20082052；來料規格：φ250mm；鍛件重量：70kg；原材料技術條件：XXX/YYY5386-2008；相變點：1050℃；探傷：B 級；化學成分見表1。

高低倍檢查

⑴低倍組織(圖1)正常、無清晰晶粒，合格。

⑵原材料高倍組織(圖2)中兩相區加工產生的組織、無連續晶界α，合格。

圖1 原材料低倍組織

表1 原材料化學成分(wt%)

圖2 原材料高倍組織(200×)

⑶原材料熱穩定性能試驗數據見表2。材料狀態：退火1025℃，空冷2h ；二次退火650℃，空冷2h。原材料室溫拉伸性能合格，高溫拉伸性能合格，高溫持久性能合格。

鍛造主要工藝流程

鍛件圖如圖3 所示，工藝流程為：下料→兩端面倒角→改鍛→車端面→腐蝕→探傷→鍛造(鍛荒)→擴孔→熱處理→粗加工→腐蝕→探傷→理化→表面清理→打磨→終檢→入庫。

改鍛

⑴鍛造設備：3t 自由鍛錘。

⑵鍛造工步。

第一工步：2鐓3拔。溫度：Tβ＋(20℃～25℃)，保溫200min，1 火完成；鍛造尺寸：φ250mm×320mm 改鍛為φ 250mm×250mm，再改鍛為φ 200mm×385mm。

第二工步：2 鐓2 拔。溫度：Tβ－(15℃～20℃)，保溫160min，1 火完成；鍛造尺寸： φ200mm×385mm改鍛為φ250mm×250mm。

第三工步：3 鐓3 拔。溫度：Tβ－(25℃～30℃)，保溫160min，3 火完成；鍛造尺寸：φ 200mm×385mm改鍛為φ 250mm×250mm。

第四工步：3 鐓3 拔。溫度：Tβ－(25℃～30℃)，保溫160min，3 火完成；鍛造尺寸：φ 200mm×385mm改鍛為 φ250mm×250mm。

第五工步：拔長。溫度：Tβ－(25℃～30℃)，保溫155min，1 火完成；鍛造尺寸：φ 200mm×385mm改鍛為φ 250mm×250mm，鍛至中間坯φ275mm×220mm。

⑶原材料改鍛后的理化檢驗情況，低倍：模糊晶；高倍：等軸晶，初生α 含量40%～50%。

⑷原材料改鍛后棒料探傷結果：①φ0.8mm 雜波滿屏；②φ1.2mm 雜波-6 ～-5dB；③φ2.0mm雜波-12dB；④φ3.2mm 雜波-12dB 以下。

鍛造(鍛荒)

⑴鍛造設備：3t 自由鍛錘。

圖3 鍛件圖

表2 原材料熱穩定性能試驗數據

⑵沖孔尺寸：φ100mm×50mm，1 火完成。

⑶馬擴尺寸：φ400mm×φ300mm×218mm，1火完成。

⑷生產溫度：Tβ－30℃，保溫175min 。

擴孔

⑴擴孔設備：φ1200mm 擴孔機。

⑵擴孔尺寸。第1 火：φ440mm×φ360mm×215mm；第2 火：φ524mm×φ460mm×215mm。

⑶生產溫度990℃，保溫450min。

熱處理

固溶：相變點下，(1025℃～1030℃)×2h，油冷；退火：650℃×2h，隨爐冷至280℃～300℃后出爐空冷。

粗加工

粗加工尺寸：φ500mm×φ485mm×200mm，表面粗糙度Ra3.2μm。

探傷

探傷儀器：CTS-2200；探頭頻率：5MHz；掃描速度：≤50mm/s；掃描間距：≤5mm；定標：φ1.0mm，φ0.8mm；探傷結果：φ1.2mm 平雜波-9～-8dB，φ0.8mm 平雜波-9 ～-6dB。

氫含量H=0.0025(合格范圍為≤0.012)。

理化性能檢驗

理化性能按照鍛件圖取樣圖標定位置取樣進行理化性能檢驗，鍛件室溫力學性能和缺口拉伸性能見表3。

高低倍檢驗

低倍無清晰晶，未見冶金缺陷，如圖4 所示。高

結束語

Ti60 高溫鈦合金環件采用3t 自由鍛錘改鍛和制倍組織見及圖5 ～圖8，表4 為具體檢測數據，結果均合格。

圖4 低倍組織無清晰晶及冶金缺陷

圖5 中心取樣點1 的高倍組織

表3 鍛件室溫力學性能

圖6 中心取樣點2 的高倍組織

圖7 外圓取樣點的高倍組織

圖8 內圓取樣點的高倍組織

表4 鍛件高倍檢驗

表5 鍛件高溫拉伸性能和熱穩定性能

高溫拉伸性能和熱穩定性能見表5；沖擊性能、高溫持久和高溫蠕變性能見表6。坯，在φ1200mm 擴孔機上成形，并在熱處理和粗加工后進行全面理化性能檢測，以驗證現行熱加工工藝的合理性及有效性，為后續生產Ti60 高溫鈦合金鍛件提供實踐經驗。

表6 鍛件沖擊性能和高溫持久、高溫蠕變性能

試制過程及理化性能檢驗結果顯示：

⑴在3t 自由鍛錘上進行Ti60 高溫鈦合金原材料改鍛、制坯工藝合理可行。通過自由鍛錘制坯、馬擴、擴孔等工序的變形后對Ti60 高溫鈦合金環坯進行探傷，結果φ0.8mm 平底孔雜波為-12 ～-6dB，φ1.2mm 平底孔雜波為-12dB 的水平；改鍛效果比較明顯，高低倍組織符合技術要求。通過端面低倍檢查無異常。

⑵力學性能，室溫拉伸、600℃拉伸、缺口拉伸、600℃+100h+試樣熱穩定性、持久和蠕變性能均得到了較好的試驗數據(高低周疲勞未進行檢測)。

⑶試制表明輕擊快鍛及多火次對Ti60 高溫鈦合金組織影響顯著，具體定量研究快速變形對Ti60 合金的影響尚未明確，待其他相關工作進一步深入研究。

通過以上Ti60 高溫鈦合金環件鍛造過程試制：φ500mm×φ485mm×200mm 環件Ti60 高溫鈦合金鍛件滿足組織性能要求。試制結果顯示：探傷、高低倍組織、力學性能各項目檢測均能滿足技術條件要求。