文章编号：1004-0609(2010)S1-s0100-04
加工工艺对Ti5553合金等温锻件力学性能和
显微组织的影响
徐 锋，计 波，朱益藩，罗月新，庞克昌
(宝山钢铁股份有限公司 特钢事业部，上海 200940)
摘 要：主要研究加工工艺对不同成分的Ti5553合金等温锻件力学性能和显微组织的影响，并讨论了未来新型航空部件对该类型高强度和高断裂韧性钛合金材料的需求。结果表明，不同的加工工艺可使Ti5553合金能获得不同级别的力学性能。
关键词：钛合金；加工工艺；力学性能；显微组织
中图分类号：TF 804.3 文献标志码：A
Effect of process routes on mechanical properties and microstructure of Ti5553 isothermal forgings
XU Feng, JI Bo, ZHU Yi-fan, LUO Yue-xin, PENG Ke-chang
(Special Steel Business Unit, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 200940, China)
Abstract: The influence of process routes on the mechanical properties and microstructure of Ti5553 isothermal forgings with different components was investigated. The requirements for titanium alloys in light of potential applicability to airframe structures were discussed for current. The results indicate that Ti5553 alloys with different microstructure and mechanical properties are obtained according to different processes.
Key words: titanium alloy; process route; mechanical properties; microstructure
Ti5553合金是由俄罗斯合金BT-22发展而来的一种新型高强度高断裂韧性钛合金，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr[1]。与当前广泛应用于大型民用客机上的Ti-1023合金相比，Ti5553合金不会产生明显的成分偏析，且强度提高了约15%；该合金拥有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，其厚度为150 mm的锻件性能可以达到Ti-1023合金厚度为75 mm的锻件性能。该合金在生产过程中可以用空冷工艺代替水淬工艺，改善了残余应力对后序机加工的影响，从而降低其加工成本[2-3]。
如今，Ti5553合金已成功地应用于波音787和空客A350飞机的起落架，机翼结构等20多种承力部 件[4-5]，代替原来所用的Ti-6Al-4V和Ti-1023合金(见图1)。据统计，应用Ti5553合金可以实现减轻飞机总质量的8% [5]。
图1 Ti5553合金起落架锻件
Fig.1 Ti5553 forging for landing gear[1]
目前，国内已有研究单位逐步开展了对该类型合金的研究[7-8]，但相关报道并不多见。本文作者以宝山钢铁股份有限公司研制的Ti5553合金及其等温锻件为基础，初步探索Ti5553合金的加工工艺对其性能及显微组织的影响。
1 实验
通过三次真空自耗炉熔炼，得到2种配比的Ti5553合金铸锭，铸锭直径为200 mm，其成分如表1所列。经过开坯、β单相区锻造以及α+β两相区锻造后获得尺寸为80 mm×220 mm×700 mm的锻件坯料。坯料按表2所列的实验方案，经α+β两相区和β单相区两种等温锻工艺压制成锻件(见图2)。锻件经时效热处理后，按照GB/228—2002 标准进行试样加工并在日本岛津AG- 5000A电子拉伸实验机上进行室温拉伸性能测试。金相试样经克罗尔腐蚀液腐蚀后进行金相显微镜观察并拍照。
表1 Ti5553合金铸锭的成分
Table 1 Components of Ti5553 ingots (mass fraction, %)
表2 Ti5553合金锻件加工工艺
Table 2 Process route of Ti5553 isothermal forging
图2 Ti5553合金等温锻件
Fig.2 Ti5553 isothermal forging
2 结果与讨论
热处理后Ti5553合金锻件的力学性能如图3和表3所示。结果表明，不同工艺获得的锻件的力学性能明显不同，其中经过α+β两相区锻造(工艺A和B)获得的锻件强度明显高于β单相区锻造(工艺C和D)获得的锻件强度。而在β单相区锻造(工艺C和D)获得的锻件的断裂韧性(KIC)明显高于经过α+β两相区锻造(工艺A和B)获得的锻件的断裂韧性(KIC)。
图3 不同加工工艺的Ti5553合金锻件的力学性能
Fig.3 Mechanical properties for Ti5553 isothermal forgings with different processes: (a) Tensile strength; (b) Elongation and reduction of area(RA); (c) Fracture toughness
表3 不同加工工艺的Ti5553合金锻件的力学性能
Table 3 Mechanical properties for Ti5553 isothermal forgings with different processes
对比结果还显示，在α+β两相区锻造时，合金元素含量较高的锻件(工艺A)的强度略高于合金元素含量较低锻件(工艺B)的。而在β单相区锻造(工艺C和D)获得的锻件的强度几乎没有差别。
热处理后Ti5553合金锻件的显微组织如图4所示。发现不同工艺获得的锻件其显微组织差别明显。其中经过α+β两相区锻造(工艺A和B)获得的锻件其显微组织为双态组织。而在β单相区锻造(工艺C和D)获得的锻件的显微组织为网篮组织。
由上述结果可以看出，由α+β两相区锻造(工艺A和B)获得的锻件显微组织为双态组织。在该状态下，锻件强度高、塑性好，适用于飞机转向梁支架等高强度锻件材料的使用需求。而由β单相区锻造(工艺C 和D)获得的锻件为网篮组织，锻件在保证一定强度和塑性的前提下，具有较高的断裂韧性(KIC)，可用于发动机吊挂等部件对高断裂韧性(KIC)锻件材料的使用需求。
另外，由表4和图5的数据可以看出，与其他目前大量使用的高强高韧钛合金Ti-1023和BT22[1]相比，Ti5553合金经过α+β两相区锻造加固溶时效(SAT)处理后的强度略有提高。而经过β单相区锻造后，Ti5553合金在保证一定强度和塑性的前提下，拥有比Ti-1023和BT22更高的断裂韧性(KIC)，充分体现了该合金可通过合理的加工工艺实现各性能之间的相互匹配来满足不同使用需求的设计特点。加之该合金拥有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，代表了未来高强高韧钛合金的发展方向。
表4 几种高强钛合金的力学性能
Table 4 Mechanical properties of several kinds of high strength titanium alloy
图4 不同加工工艺处理后的Ti5553合金锻件的显微组织
Fig.4 Microstructures of Ti5553 isothermal forgings by different process routes: (a) Process A; (b) Process B; (c) Process C; (d) Process D
图5 几种高强钛合金的力学性能
Fig.5 Mechanical properties of several kinds of high strength titanium alloys: (a) Tensile strength; (b) Elongation and RA; (c) Fracture toughness
3 结论
1) 通过不同的加工工艺，Ti5553合金能获得不同级别的力学性能。
2) 由α+β两相区锻造获得的锻件显微组织为双态组织。在该状态下，锻件强度高，塑性好。由β单相区锻造获得的锻件为网篮组织，锻件在保证一定强度和塑性的前提下，拥有较高的断裂韧性。
3) 上述工艺可分别满足未来新型航空部件对高强度和高断裂韧性钛合金材料的需求。
REFERENCES
[1] FANNING J C, BOYER R R. Ti-2003 science and technology[M]. Weinheim, Germany: Wiley VCH, 2004: 2643.
[2] http://asm.confex.com/asm/aero06/techprogram/paper_13276.html
[3] http://asm.confex.com/asm/aero09/webprogram/Paper24783.html
[4] http://www.eads.com.Taking the lead: A350XWB presentation
[5] http://www.boeing.com/commercial/787family/
[6] 付艳艳, 宋月清, 惠松骁, 米绪军, 叶文君. 热处理对VST55531钛合金的组织和拉伸性能的影响[J]. 稀有金属, 2008, 32(4): 399-403.
FU Yan-yan, SONG Yue-qing, HUI Song-xiao, MI Xu-jun, YE Wen-jun. Influence of heat treatment on microstructure and tensile property of VST55531 alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2008, 32(4): 399-403.
[7] 付艳艳, 宋月清, 惠松骁, 米绪军. 用正交试验法优化VST55531钛合金的热处理工艺[J]. 金属热处理, 2008, 33(7): 66-68.
FU Yan-yan, SONG Yue-qing, HUI Song-xiao, MI Xu-jun. Optimization on the heat treatment process of VST55531 titanium alloy with orthogonal test[J]. Metal Heat Treatment, 2008, 33(7): 66-68.
(编辑 何学锋)
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