文章编号：1004-0609(2013)S1-s0595-05

锻造工艺对Ti40阻燃钛合金微观组织与力学性能的影响

曹京霞¹，王  宝¹，黄  旭¹，孙欢迎¹，赖运金²，杨  晋³

(1. 北京航空材料研究院，北京 100095；

2. 西部超导材料科技有限责任公司，西安 710018；

3. 贵州安大航空锻造有限责任公司，安顺 561005)

摘  要：采用3种工艺锻造出Ti40阻燃钛合金90 mm方棒，对棒材的微观组织及力学性能进行研究，结果表明：减少锻造火次、增加单火的变形量可以有效细化Ti40合金棒材的晶粒尺寸、提高组织均匀性，即使原始组织晶粒度不够均匀，也能够得到有效的改善。采用多火次小变形量锻造易造成Ti40合金棒材微观组织粗化和不均匀。Ti40合金棒材的拉伸强度和塑性对β晶粒尺寸变化不敏感，蠕变性能随晶粒尺寸增大略有提高，用于锻件成形的Ti40合金坯料应该进行充分锻造，以避免因小变形量校正变形产生粗大和不均匀的组织。

关键词：阻燃钛合金；β钛合金；锻造工艺；显微组织；力学性能

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

Effect of forging process on microstructures and mechanical properties of Ti40 burn resistant titanium alloy

CAO Jing-xia¹, WANG Bao¹, HUANG Xu¹, SUN Huan-ying¹, LAI Yun-jin², YANG Jin³

(1. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;

2. Western Superconducting Technologies Co., Ltd., Xi’an 710018, China;

3. Anda Forging Plant of GAIC, Anshun 561005, China)

Abstract: 90 mm tetragonal bars were made by forging Ti40 burn resistant titanium alloy through three different forging processes. The microstructures and mechanical properties of these forged bars were studied. The results show that it is a effective way to uniform and refine the beta grain size of Ti40 alloy bars through large deformation processing, even if the primary microstructures are not uniform. Multiple forging with small deformation can easily make the beta grain size of Ti40 alloy bars coarser and nonuniform. Tensile properties of Ti40 alloy bars are not very sensitive to the beta grain size. Creep properties slightly improve with the increase of beta grain size. To avoid coarse and nonuniform microstructures, forging blanks should be well performed before the final forging due to the small deformation modification.

Key words: burn resistant titanium alloy; β titanium alloy; forging process; microstructure; mechanical property

航空发动机性能的提高与轻质、耐高温钛合金材料的使用密不可分，钛合金用量成为衡量航空发动机先进程度的重要标志。随着用钛量增加而引发的“钛火”问题又在很大程度上制约了钛合金在航空发动机的应用。阻燃钛合金是为应对航空发动机“钛火”隐患而研制的专用钛合金^[1]，美国的F119发动机在压气机内环和静子叶片等部位使用了Ti-35V-15Cr阻燃钛合金(称为Alloy C合金)，作为预防“钛火”的手段之一。Ti40合金是西北有色金属研究院研发的阻燃钛合金，其名义成分为Ti-25V-15Cr-0.2Si，长期使用温度为500 ℃。有关Ti40合金热处理工艺、组织性能关系方面的研究已有大量报道^[2-8]，对于Ti40合金热加工工艺的报道很少，大多是关于变形本构关系及热加工图方面^[9-12]的研究，很少涉及实际的锻造工艺研究。从热模拟试验的结果看，铸态^[10]和锻态^[11-12]的Ti40合金的变形抗力均很高，相近条件下是普通钛合金如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V (ELI)合金^[13-14] 的5~7倍，锻造难度大，在锻件成形时往往会遇到在设计的最终火次锻压不到位，或制备的环锻件圆整度不好等问题，需要补充锻造进行小变形校正，多火次小变形锻造对Ti40合金组织性能的影响需要进一步研究。本文作者研究多火次小变形量锻造对Ti40合金棒材组织和性能的影响。

1  试验

本研究所用的Ti40阻燃钛合金为同炉批的3根d 300 mm棒料制备环锻件时获得的冲孔芯料。3根原始棒料的编号分别为S1、S2和S3。Ti40合金d 300 mm棒料分别经一火镦粗变形后进行冲孔，得到3个冲孔芯料，冲孔芯料直径均为180 mm，利用这3个冲孔芯料进行锻造工艺试验。其中，S1芯料经两火拔长变形由d 180 mm制成90 mm方棒(No.1)；S2芯料经3火拔长变形制成90 mm方棒(No.2)；S3芯料经4火拔长变形制成90 mm方棒(No.3)，具体锻造工艺见表1。方棒锻造在1250水压机上完成，锻造各火次坯料的加热温度均为1 050 ℃。

从90 mm方棒上沿拔长方向取试样毛坯，毛坯经850 ℃、1 h (WQ)＋550 ℃、5 h (AC)热处理后加工成拉伸和蠕变试样。测试室温、高温拉伸，热稳定及高温蠕变性能。对每种变形条件下试样的微观组织利用金相显微镜进行了观察。

表1  Ti40合金90 mm方棒的锻造工艺

Table 1  Forging processes of 90 mm tetragonal Ti40 alloy bars

2  试验结果

表2分别给出了3种工艺获得的Ti40合金90 mm 方棒的室温拉伸、热稳定性能。可以看到：3种工艺获得的棒材室温拉伸性能没有明显差异，拉伸强度和伸长率均比较接近。热稳定性能由试样经500 ℃、100 h热暴露后测试的室温拉伸塑性来表征，与未经热暴露的试样相比，试样热暴露后室温拉伸的伸长率和面缩率降低了50%左右，但3种工艺热稳定性差别很小。

表2  90 mm Ti40合金棒材的室温拉伸性能

Table 2  Room temperature tensile properties of 90 mm Ti40 alloy bars

表3所列为Ti40合金90 mm方棒的540 ℃拉伸性能和500 ℃、250 MPa、100 h条件下的蠕变性能。与室温下相近，3种工艺的高温拉伸强度和塑性相差不大，组织略粗的棒料的蠕变性能更好一些。

表3 90 mm Ti40合金棒材的高温性能

Table 3 High temperature properties of 90 mm Ti40 alloy bars

3  分析讨论

3.1  锻造工艺与组织特征

本研究所用的Ti40合金d 300 mm棒料端面低倍组织见图1，组织均匀性及晶粒尺寸差异较大。从d 300 mm棒料到冲孔芯料仅经历了一火镦粗和冲孔变形，可以推断出相同工艺获得的3个冲孔芯料中S1的冲孔芯料组织最粗、并且最不均匀；S3的冲孔芯料组织最细、最均匀；S2的组织应介于前两者之间。

图1  原始Ti40合金棒材的低倍组织

Fig. 1  Macrostructures of primary Ti40 alloy bars

3块冲孔芯料首先经一火拔长变形锻成140 mm的方棒，然后分别采用不同的变形量分配方案进行90 mm方棒的锻造。图2所示为Ti40合金冲孔芯料经过不同火次拔长变形后获得的90 mm方棒的微观组织。S1的冲孔芯料锻成140 mm方棒后，再经一火大变形量拔长锻造获得的90 mm方棒(1号)，该火变形量达到58%，棒材的微观组织最均匀，并且β晶粒较细；S3的冲孔芯料锻成的140 mm方棒再经过3火小变形量(23%~26%)拔长锻造获得的90 mm方棒(3号)，其微观组织均匀程度和细化程度不如1号棒料；S2的冲孔芯料拔长锻造火次介于上述两者之间，得到的2号棒料的组织介于上述两者之间，局部可见比较大的β晶粒。

图2  Ti40合金90 mm方棒的微观组织

Fig. 2  Microstructures of Ti40 alloy 90 mm tetragonal bars

对比图2和1可以看出：单火大变形量锻造对细化β晶粒尺寸、提高组织均匀性非常有效，即使原始组织晶粒度不够均匀，也能够很好地得到改善，见图2(a)；而多火次小变形量锻造获得的棒材组织均匀性要差一些，由于坯料高温加热次数增加，晶粒有所长大，仅在晶界处有比较明显的再结晶小晶粒(图2(c))，这种组织是在原始坯料组织比较好的情况下获得  的，如果原始坯料的组织均匀性不好，或有比较多的粗晶，小变形多火次锻造则会造成更为严重的组织不均匀性，反映到大锻件就有可能造成比较严重的组织的不均匀，因为大锻件坯料的加热时间长，β晶粒长大更为显著。在实际生产中，由于Ti40合金变形抗力较高，生产锻件时难免遇到锻压或轧制不到位，需要小变形修复，或者生产变截面的模锻件时，锻件各部位变形量有比较大的差异，那么必须保证原始坯料的组织均匀、晶粒较细，因此制坯过程对组织的控制非常重要。

3.2  微观组织和力学性能

Ti40阻燃钛合金为稳定β型钛合金，其微观组织是以单相β晶粒为基体，在晶内和晶界有点状弥散分布的第二相，这些第二相为硅化物相和少量的α相，α相是合金中杂质元素氧所带来的。锻造工艺对Ti40合金微观组织的影响主要体现为对β晶粒尺寸的影响，没有更多的细节组织的变化，这种组织不同于(α＋β)型两相钛合金或近β型钛合金。因此反映到力学性能上，在β晶粒尺寸较为接近或是在一定的范围时，力学性能的差异是比较小的，即使采用不同工艺进行热处理，通常Ti40合金的室温、高温拉伸性能差异都比较小^[2]。热稳定性能的变化与第二相的析出，特别是沿晶连续α相的析出有关，不同的热处理工艺会对应差异较大的热稳定性能^[3,4,6]。在本研究中，采用的锻造温度、热处理工艺均相同，不会造成明显的第二相析出的差异，因此，3种工艺的棒材热稳定性能也是接近的。蠕变性能因晶粒尺寸不同呈现出微弱的差异，组织最细的1号棒料的高温蠕变的残余伸长率最大，组织最粗的3号棒料的高温蠕变的残余伸长率最低，反映出晶界滑动对蠕变性能有较大影响。

4  结论

1) 单火大变形量锻造对细化Ti40合金棒材的β晶粒尺寸、提高组织均匀性作用明显，即使原始组织晶粒度不够均匀，也能够比较有效地改善。

2) 采用多火次小变形量锻造易造成Ti40合金棒材微观组织粗化和不均匀。

3) Ti40合金棒材的拉伸强度、塑性对β晶粒尺寸变化不敏感，蠕变性能会随晶粒尺寸增大略提高。

4) 用于锻件成形的Ti40合金坯料应该进行充分的锻造，以避免由于需要小变形量校正变形而引起的组织粗大、不均匀。

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(编辑  陈爱华)

基金项目：航空科学基金资助项目(20123021004)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：曹京霞，高级工程师，硕士；电话：010-62496624；E-mail: caojingxia@sina.com