退火對TC25G鈦合金組織和性能的影響

王曉巍, 董 宇, 王德勇, 楊立新, 李東寬, 張 安, 車安達, 馬思琴

(1. 航空工業沈陽飛機工業(集團)有限公司, 遼寧 沈陽 110850; 2. 空裝駐沈陽地區第一軍事代表室, 遼寧 沈陽 110850; 3. 江西景航航空鍛鑄有限公司, 江西 景德鎮 333000)

鈦及其合金以其高強度、良好的韌性、優良的耐腐蝕性和熱穩定性而聞名。鈦的強度和質量比,使其在工業和醫療應用中更通用。在工業上,它廣泛地被用于航空航天[1-3]領域。隨著航空發動機推重比的不斷提高,對高溫鈦合金的需求越來越迫切,α+β型熱強鈦合金BT25具有優異的熱穩定性,但在500～550 ℃下使用壽命較為短暫[4]。為了進一步提高BT25鈦合金的高溫綜合性能,在其基礎上又研制了BT25y鈦合金,并且進行了工業化生產,在航空發動機上得到了應用。

我國于21世紀初先后開展了BT25和BT25y鈦合金的仿制研究,對應的牌號分別為TC25和TC25G。TC25G鈦合金(名義成分Ti-6Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si)是在TC25鈦合金(名義成分Ti-6.8Al-1.7Zr-2Sn-2Mo-0.7W-0.2Si)的基礎上調整了Mo、Zr、W等合金元素的含量研制而成的一種馬氏體型α+β兩相鈦合金,可進行強化熱處理,具有高溫、高強和高韌的“三高”特性,長時使用溫度達550 ℃,主要應用于航空發動機大載荷結構件及航空發動機機匣、轉子等中溫關鍵部件。

相關研究[5-6]雖然對TC25G鈦合金的組織性能關系有一定的指導作用,但是由于大部分都是在實驗室完成的,與實際生產過程相距較大,研究結果無法在工程實際中得到應用。為了獲取更為準確的工程化數據,解決工程應用中的技術問題,本文以TC25G鈦合金鍛件為對象,研究退火處理對其組織性能的影響,為其鍛件的后續生產加工奠定基礎。

1 試驗材料與方法

試驗材料為某公司生產的TC25G鈦合金鍛件,規格φ260 mm棒材,符合相關技術條件驗收標準,其低倍組織為模糊晶(見圖1),說明棒材在兩相區得到了充分的變形。原始高倍組織如圖2所示,由棒材不同部位的鍛態顯微組織圖可知,試驗用TC25G鈦合金為兩相區鍛造的鍛態組織,所有原始的β晶界已被充分破碎,初生α晶粒尺寸為15～20 μm,含量約25%,經過回復再結晶,棒材顯微組織為β轉變組織上均勻分布的不同尺寸的初生α組織。用金相法測定鈦合金的相變點溫度為977 ℃(Tβ)。將5件φ260 mm×30 mm棒料,采用線切割機沿中心線均勻鋸開并進行標記,棒材取樣經不同退火處理后進行力學性能與顯微組織分析,具體退火制度及取樣位置見表1和圖3。

圖1 TC25G鈦合金棒材低倍照片Fig.1 Macrographs of the TC25G titanium alloy bar(a) 頭部(head); (b) 尾部(tail)

圖2 TC25G鈦合金原始顯微組織(a)邊部;(b)R/2處;(c)心部Fig.2 Original microstructure of the TC25G titanium alloy(a) edge; (b) R/2 position; (c) center

圖3 取樣位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sampling location

2 試驗結果與分析

2.1 一次退火溫度對組織和性能的影響

TC25G鈦合金棒材不同一次退火溫度下保溫2 h后的顯微組織如圖4所示。退火溫度為Tβ-40 ℃時,初生α呈不規則形狀,可見條狀β轉變組織,組織基本為R態α+β組織;溫度升高到Tβ-30 ℃時,初生α明顯長大并呈球狀,β轉變組織同時長大;溫度繼續升高到Tβ-20 ℃時,初生α含量明顯減少,β轉變組織繼續長大[5]。

圖4 不同一次退火溫度下試驗件的顯微組織Fig.4 Microstructure of the tested pieces at different single annealing temperatures(a) A1,Tβ-20 ℃; (b) A2, Tβ-30 ℃; (c) A3, Tβ-40 ℃

表2為TC25G鈦合金棒材不同一次退火溫度下的室溫力學性能。總體來看,棒材經過Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃、Tβ-20 ℃退火后均表現出優異的室溫拉伸性能,不同退火溫度下的抗拉強度都在1100 MPa以上,屈服強度在1000 MPa以上,伸長率和斷面收縮率分別大于12%和39%,均滿足抗拉強度≥1010 MPa,屈服強度≥870 MPa,伸長率≥8%,斷面收縮率≥16%的指標要求。同時退火溫度為Tβ-30 ℃時,可獲得較為均衡的室溫力學性能。其原因可通過兩方面解釋:一方面,經熱處理后β晶粒內部析出較粗的片狀α相(約為1.5 μm,見圖4),顯著強化β基體,使材料強度提高;另一方面,由于棒材為R態,原始的β晶粒被拉長形變,晶界α相被彎折破碎,部分再結晶β晶粒形成,這有效防止了沿晶斷裂的發生,保證了材料的塑性。從表2還可以觀察到,隨著一次退火溫度升高,強度有下降的趨勢,這是β轉變組織和初生α相共同作用的結果[6]。從表2還可見,隨著一次退火溫度的升高,棒材的沖擊性能先降后升,但總體差異不大,一次退火溫度對沖擊性能的影響不明顯[7]。

表2 不同一次退火溫度下試驗件的室溫力學性能Table 2 Room temperature mechanical properties of the tested pieces single annealed at different annealing temperatures

2.2 一次退火時間對組織和性能的影響

圖5為TC25G鈦合金棒材在一次退火溫度為Tβ-30 ℃下,保溫不同時間2、3和4 h后的顯微組織。初生α相含量均在30%～50%之間,隨著一次退火保溫時間由2 h提升到4 h,初生α相的尺寸有增加的趨勢;β轉變組織由起初的細針狀向片層狀發展,由于受到熱處理的影響,β轉變組織逐漸粗化,片層厚度約為1.5 μm,組織粗化實質上是一個元素擴散過程,受奧斯瓦爾德熟化機理[8-9]控制,小尺寸晶粒逐漸合并長大,降低系統自由能,使組織趨于穩定。

圖5 不同一次退火時間下試驗件的顯微組織Fig.5 Microstructure of the tested pieces single annealed at different time(a) A2, 2 h; (b) A7, 3 h; (c) A8, 4 h

TC25G棒材一次退火保溫不同時間下的室溫力學性能如表3所示。從總體來看,強度呈緩慢下降的趨勢,塑性先降低后升高。保溫時間由2 h升高到3 h時,抗拉強度稍稍升高,屈服強度稍有下降,塑性明顯下降。保溫時間繼續增加,在3～4 h時,強度下降,塑性略有升高。保溫時間在2 h時,強度和塑性匹配較好,這是由于保溫時間在2 h時,初生α相等軸化程度高,顯微組織由初生α、β轉變組織組成,并且組織還未粗化長大,因此,強塑性匹配良好。由表3還可見,在相同的一次退火溫度下,沖擊性能隨保溫時間的延長先升高后降低;一次退火制度為(Tβ-30 ℃)×3 h時,沖擊性能較好,但數值增幅不大(僅為1.5 J)。

表3 不同一次退火時間下試驗件的室溫力學性能Table 3 Room temperature mechanical properties of the tested pieces single annealed at different time

2.3 一次退火冷卻方式對組織和性能的影響

TC25G棒材在(Tβ-30 ℃)×2 h退火參數下,分別經空冷和油冷后的顯微組織如圖6所示?？绽錀l件下的顯微組織為初生α+β轉變組織;油冷條件下鈦合金發生馬氏體相變,顯微組織為初生α+亞穩態β(六方馬氏體或斜方馬氏體)[10-11]。相較于空冷,油冷過程中β相來不及向α相轉變,導致α相含量減少,β相含量增加。

圖6 不同一次退火冷卻方式下試驗件的顯微組織Fig.6 Microstructure of the tested pieces single annealed under different cooling methods(a) A2,AC; (b) A5, OC

TC25G棒材不同冷卻速度下的強度、塑性對比如表4所示。隨著冷卻速度的提高,強度明顯升高,油冷的抗拉強度與空冷相比提高了約265 MPa,屈服強度與空冷相比提高了約298 MPa;塑性明顯下降,油冷的伸長率與空冷相比下降了約8%,斷面收縮率與空冷相比下降了約18%。由表4還可見,油冷試樣的沖擊吸收能量比空冷試樣降低了2.5 J,這是因為空冷棒材的片狀β轉變組織明顯比油冷棒材多且厚,因而呈現較高的沖擊性能。

表4 不同一次退火冷卻方式下試驗件的室溫力學性能Table 4 Room temperature mechanical properties of the tested pieces under different single annealing cooling methods

2.4 二次退火溫度對組織和性能的影響

TC25G棒材(Tβ-30 ℃)×2 h,AC一次退火后,經不同溫度二次退火后的顯微組織如圖7所示。TC25G棒材Tβ-30 ℃一次退火過程中大部分初生α相完成向β相轉變,之后空冷形成初生α+β轉變組織+亞穩態β。亞穩態β相在熱力學上是不穩定的物質,經二次退火時又會發生分解,使鈦合金得到彌散強化的同時,也改善其塑韌性[12]。此外,初生α相分布比較均勻且晶粒等軸化程度較高,同時β轉變組織呈片狀分布,當二次退火溫度升高到630 ℃時,初生α相晶粒有輕微長大的趨勢。

圖7 不同二次退火溫度下試驗件的顯微組織Fig.7 Microstructure of the tested pieces secondary annealed at different temperatures(a) A6, 560 ℃; (b) A2, 600 ℃; (c) A4, 630 ℃

TC25G棒材不同二次退火溫度下的強度、塑性對比如表5所示?？梢钥闯?隨著二次退火溫度的升高,強度值在600 ℃以下整體上呈現升高的趨勢。這是因為在二次退火過程中會有彌散相析出,并且與基體保持共格關系,由于兩者不同的晶格常數在過渡相附近會形成一個晶格畸變區;隨著二次退火溫度的升高,彌散相的密度不斷增加,便會產生大量的晶格畸變區,從而不斷增加對位錯運動的阻礙作用,使得鈦合金的強度和硬度提高,而當二次退火溫度高于600 ℃時,兩種強度只有輕微增強,說明此時彌散相析出基本達到飽和態[13]。當二次退火溫度小于600 ℃時,隨著二次退火溫度的增加,合金的塑性呈現輕微升高的趨勢,當二次退火溫度超過600 ℃后,合金的伸長率和斷面收縮率明顯下降。從表5還可見,二次退火溫度600 ℃時,TC25G棒材沖擊吸收能量在19.0 J左右,與技術條件規定的≥24 J相比,不能滿足要求。在530 ℃二次退火可明顯提高試樣的沖擊性能,升幅在7.5 J以上,由于530 ℃在技術條件規定之外,因此選擇560 ℃作為二次退火溫度同樣可滿足沖擊性能要求。

表5 不同二次退火溫度下試驗件的室溫力學性能Table 5 Room temperature mechanical properties of the tested pieces secondary annealed at different temperatures

3 結論

1)TC25鈦合金棒材在Tβ-(40～20) ℃范圍內,隨退火溫度的升高,強度呈緩慢上升趨勢,塑性先升高后降低。退火溫度為Tβ-30 ℃時,強度、塑性匹配良好。

2)隨著一次退火保溫時間由2 h提升到4 h,初生α相的尺寸有增加的趨勢,同時β轉變組織逐漸粗化;保溫時間在2 h時,強度和塑性匹配較好。

3)經油冷的TC25鈦合金棒材較空冷的室溫抗拉強度提高了約265 MPa,屈服強度提高了約298 MPa;塑性明顯下降,油冷試樣的伸長率與空冷相比下降了約8%,斷面收縮率下降了約18%;通過對比,空冷下室溫綜合性能較好且組織形貌可滿足技術要求。

4)隨二次退火溫度由500 ℃升高到600 ℃,強度和塑性均逐漸增加;當溫度進一步升高至630 ℃,由于彌散相析出基本達到飽和態,對強度的影響不再明顯。

5)TC25鈦合金棒材沖擊性能的提升與二次退火溫度關系密切,選擇二次退火溫度為560 ℃,可顯著提升沖擊性能(比630 ℃時提高了7.5 J),并達到技術要求(550 ℃,≥24 J)。