稀有金属 2000,(04),282-286 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.04.011

Ti-6242S合金在β区的锻造工艺研究

彭益群 岳耀峰

北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088,北京有色金属研究总院!北京100088

摘 要：

采用光学显微镜、扫描电镜和力学性能测试等设备研究了Ti 6 2 42S合金相变点以上 45℃ (即 10 5 0℃ ) 加热 , 变形量为 70 %空冷的锻造工艺 , 经双重退火处理 , 获得细小网篮状组织。这种组织与α+β两相区锻造下的等轴组织相比 , 不但具有良好的室温和高温力学性能 , 而且还提高了材料的高温持久、蠕变强度、冲击和断裂韧性。该合金的 β区锻造工艺 , 可以用于加工航空发动机压气机盘模锻件。

关键词：

Ti-6242S合金;β区;锻造;显微组织;性能;

中图分类号： TG319

收稿日期：1999-06-17

Study on Forged Process in β-phase area of Ti-6242S Alloy

Abstract：

The forging process of Ti 6242S alloy was studied by using optical microscope, SEM, TEM, and mechanical property test and so on. Ti 6242S alloy was heated at 1050 ℃, forged with 70% deformation, and cooled by air. Then through duplex annealed, the small net like structure of Ti 6242S alloy was obtained. Comparing with the equiaxed structure forged in α+β phase zone, this structure not only has good mechanical properties at ambient and elevated temperature, but improves the endurance and creep strength, impact and fracture toughness of the materials at elevated temperature.The β forged process of the alloy can be used to produce forging model on compressor disk of jet engine.

Keyword：

Ti-6242S alloy; β phase zone; Forging; Microstructure; Property;

Received： 1999-06-17

Ti-6242S合金是美国在1974年研制成功的一种高温近α型钛合金, 其名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si, 该合金具有高强、 高韧和良好的抗蠕变性能, 最高使用温度为550 ℃。

本工作主要研究该合金在β区的锻造工艺对显微组织和性能的影响, 为了比较, 也进行了α+β区锻造工艺试验。

1 试验方法

原料采用宝鸡902厂提供的90 mm棒材, 制订了不同的锻造加热温度和不同的变形量的试验工艺, 详见表1。

表1 合金的锻造工艺

工艺 编号	加热温度 /℃	变形量 /%	冷却 方式	双重退火热处理
1 2 3 4	960 1050 1050 1050	70 30 50 70	空冷	968 ℃/1 h/AC 593 ℃/8 h/AC

通过以上锻造工艺试验, 得到16、 30 mm 棒材和 14 mm×25mm×160 mm 扁条。

2 试验结果

锻造工艺采用90 mm棒材, 该合金的α+β/β相转变温度为1000～1005 ℃。 其显微组织为粗大的等轴α+β_转相, 见图1。

不同锻造工艺产生了两种类型的显微组织, 其对应的室温和高温拉伸性能、 持久性能、 蠕变性能、 冲击韧性和断裂韧性, 见表2～6。

扫描电镜观察断口形貌表明, 该合金在α+β区960 ℃加热, 变形量为70%, 锻造变形后, 经双重退火处理, 显微组织为等轴α+β_转, 见图2 (a) 。 对应的室温高温性能较好, 其室温和高温拉伸试样的断口形貌为韧窝, 且分布均匀, 尺寸较小。 在β区1050 ℃加热, 变形量分别为30%、 50%、 70%锻造后, 经双重退火处理, 显微组织为网篮状组织, 见图2 (b) ～ (d) 。在β区加热不经复形, 则获得魏氏组织, 见图3。对应的室温和高温拉伸试样的断口形貌为韧窝, 室温拉伸韧窝较细, 高温拉伸韧窝粗细均匀, 见图4 (a) ～ (d) 。

图190 mm棒材锻态的显微组织

3 讨 论

3.1 锻造加热温度及变形量对显微组织的影响

锻造加热温度及变形量对显微组织影响较大 ^[1,2] 。 对锻造加热温度来讲, β转变温度是一个重要的临界温度。 低于这个温度即在960 ℃锻造变形后, 经双重退火处理, 获得等轴α+β_转, 高于β转变温度即在1050 ℃锻造变形后, 经双重退火处理, 获得网篮状组织, 对应的室温和高温拉伸试样的断口形貌均为韧窝断口。

图2 合金经锻造和热处理后的显微组织

(a) 工艺1; (b) 工艺2; (c) 工艺3; (d) 工艺4

图3 未经复形的魏氏组织

对变形量来讲, 锻棒的显微组织随着变形量的增大而细化, 并逐步变得更加均匀, 当在1050 ℃加热时, 变形量对显微组织影响较为明显, 不经受变形则获得魏氏体组织。 经不同变形量锻造后, 再进行双重退火处理, 从图2 (b) ～ (d) 可以看出, 随着变形量的增大, 晶界从完整到不完整, 以致最后基本消失, 晶内的片状α相从长而平直到短而扭曲。 变形量为30%时, 显微组织为粗大的网篮状组织, 变形量为 50%～70% 时, 显微组织为细小的网篮状组织。

图4 合金拉伸试样的断口形貌

(a) (b) 两相区加热锻造, 经双重退火处理后分别为室温和高温拉伸断口; (c) (d) β区加热锻造, 经双重退火处理后分别为室温和高温拉伸断口

表2 合金的室温和高温拉伸性能

工艺序号和标准	试验温度 t/℃	σb/MPa	σ0.2/MPa	δ5/%	ψ/%
工艺1	室温	1070 1080	1020 1010	16.0 16.0	36.0 37.0
	482	760 730	600 590	18.0 18.0	60.0 64.0
工艺2	室温	1095 1080	1010 995	10.5 11.5	24.0 25.0
	482	770	560	13.0	45.0
工艺3	室温	1120 1145	1085 1115	15.5 13.5	47.0 32.0
	482	795 780	620 625	15.5 15.5	67.0 64.0
工艺4	室温	1120	1085	15.5	47.0
	482	790	650	17.0	68.0
C50TF7-S7	室温	≥896	≥827	≥10	≥25
	482	≥620	≥482	≥15	≥30

注: 标准拉伸试样, 室温拉伸标准GB228-87, 高温拉伸标准GB/T4338-95

表3 合金的持久性能

工艺序号和标准	试验温度 t/℃	σ/MPa	持续时间/h		工艺序号和标准	试验温度 t/℃	σ/MPa	持续时间/h
工艺1～4	524	482	>35		C50TF7-S7	524	482	≥35

注:标准拉伸试样, 持久试验标准GB6395-86

表4 合金的蠕变性能

工艺序号 和标准	试验温度 t/℃	σ/MPa	持续时间 t/h	残余伸长率 δ/%
工艺1 工艺4 C50TF7-S7	510 510 510	240 240 240	35 35 ≥35	0.0805 0.0425 ≤0.1

注: 标准蠕变试样, 蠕变试验标准GB239080

表5 合金的冲击韧性

工艺序号	试验温度 t/℃	冲击韧性 aKU/J·cm-2	冲击功 AK/J
工艺1 工艺1 工艺4 工艺4	室温	35 34 43 43	28 27 35 35

注: 标准夏比冲击试样, 冲击试验标准GB/T229-1994

表6 合金的室温断裂韧性

工艺序号	裂纹平均长度/a/nm	Pm/N	PQ/N	KIC/MPam??√ $${\rm K}{}_{\text{Ι}\text{C}}/\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}\sqrt{\text{m}}$$	Pm/PQ
工艺1	9.87	6300	6060	44.70	1.04
工艺1	10.47	5880	5600	43.57	1.05
工艺4	10.69	10100	9600	80.80	1.05

注: 三点弯曲试样

3.2 锻造工艺和显微组织对性能的影响

锻造加热温度为960 ℃, 变形量为70%, 经双重退火处理 (工艺1) 后, 对应的显微组织为等轴α+β_转, 可以获得优良的室温和高温力学性能。

锻造加热温度为1050 ℃, 变形量对棒材的性能影响较大, 当变形量为50%～70%时, 双重退火处理 (工艺3、 工艺4) 后的显微组织为细小网篮状组织, 可以获得良好的综合性能。 当变形量为30%锻造变形后, 经双重退火处理, 对应的显微组为粗大网篮状组织, 获得的室温断面收缩率ψ为24%, 高温延伸率δ₅为13%, 不能满足美国标准C50TF7-S7要求。

工艺1对应的显微组织为细小的等轴α+β_转, 工艺4对应的显微组织为细小网篮状组织, 这种组织对应的棒材都具有优良的室温和高温力学性能, 但是, 持久性能、 蠕变性能、 冲击韧性和断裂韧性, 工艺4优于工艺1。

从上述结果可知, 虽然细小网篮状组织具有较好的综合性能, 但其组织对变形量的大小较为敏感, 要保证具有细小网篮状组织的工件综合性能好而且变形均匀, 就必须保证工件经受足够大的变形量, 而且变形十分均匀。

4 结 论

1. 在本试验条件下, 合金棒材的显微组织可分为两类, 等轴α+β_转和网篮状组织。

2. 在低于β转变温度 (960 ℃) 加热, 变形量为70%, 锻造变形后经双重退火处理, 获得等轴α+β_转组织, 具有优良的室温和高温力学性能。

3. 在高于β转变温度 (1050 ℃) 加热, 变形量为30%、 50%和70%, 锻造变形后经双重退火处理, 获得粗大网篮状组织和细小网篮状组织。 粗大网篮状组织对应的室温ψ低和高温δ₅低, 细小网篮状组织具有优良的综合性能。

参考文献

[1] 　ThiehsenKE , KassnerME .Metall.TransA , 1993, 2 4A :1819

[2] 　盛贵先 第四届全国钛合金 , 1983:46 6