文章编号：1004-0609(2013)S1-s0067-04
初生α相含量对TC4钛合金性能的影响
李四清，刘晶南，王 旭
(北京航空材料研究院，北京 100095)
摘 要：
对两相锻TC4钛合金环形锻件进行4种制度热处理，以研究初生α相含量(体积分数)对合金力学性能的影响。采用光学显微镜和定量金相方法分析锻件的显微组织及其初生α相含量，测试锻件的拉伸、断裂韧度和低周疲劳等力学性能。结果表明，随着合金中初生α相含量的降低，其室温、400 ℃拉伸强度和400 ℃持久性能提高，但室温断裂韧度和低周疲劳性能降低。
关键词：
中图分类号：TG 146.2 文献标志码：A
Effect of primary α-phase volume fraction on mechanical properties of TC4 titanium alloy ring forging
LI Si-qing, LIU Jing-nan, WANG Xu
(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)
Abstract: The effects of primary α-phase volume fraction on mechanical properties of TC4 titanium alloy ring forging were investigated. Microstructures of the ring forging were observed using optical microscopy. The mechanical properties of the ring forging were evaluated. The results show that the tensile strength at room temperature and 400 ℃ and creep rupture life at 400 ℃ are improved with decreasing primary α-phase volume fraction, however, the facture toughness and strain control low cycle fatigue life at room temperature are decreased.
Key words: TC4 titanium alloy; primary α-phase; mechanical property; heat treatment
钛合金具有高的比强度、比刚度和较高的使用温度，广泛应用于先进航空发动机，在航空发动机中的用量越来越高，已成为航空发动机先进性的标志[1-6]。TC4钛合金的名义成分为Ti-6%Al-4%V，属于α-β型两相钛合金。该合金具有优异的综合力学性能、优良的热工艺性能、良好的焊接性能，长期使用温度可达400 ℃和相对比较低廉的成本，因此在航空、航天和航海等工业领域中得到广泛的应用[7-9]。由于在TC4钛合金大型锻件锻造过程中，各部位的温度场是不均匀的，因此各部位组织中的初生α相含量不同。采用高温固溶处理，可提高锻件的组织均匀性，减小锻件的力学性能分散性。本文作者对TC4合金在β相变点以下的937 ℃、957 ℃和977 ℃进行固溶，然后700 ℃时效2 h，再空气冷却的热处理实验，研究不同初生α相含量对室温拉伸、400 ℃拉伸、400 ℃持久、室温断裂韧度和室温应变控制低周疲劳等力学性能的影响。
1 实验
TC4钛合金原材料为d 300 mm棒材，棒材经3次真空自耗电弧熔炼，其β转变点为997 ℃。TC4钛合金环形锻件的制备过程为：首先在100 MN液压机上进行棒坯改锻，采用α+β两相区加热多火次反复镦拔制成饼坯，最后在16 MN水压机上进行冲孔扩孔，采用α+β两相区多火次制成环形锻件。其尺寸为d 620 mm×d 300 mm×265 mm。从环形锻件切取用于研究所需的实验坯料，实验坯料长度为120 mm。
针对实验坯料，开展了937 ℃、957 ℃、977 ℃固溶+过时效(即(固溶温度，2 h)，水淬+(700 ℃，2 h)，空冷)的热处理实验，研究初生α相含量对环形件力学性能的影响。在热处理后的实验坯料上切取室温拉伸、高温拉伸、高温持久、室温低周疲劳和室温断裂韧度等力学性能试样毛坯。除KIC为R-C外，其余所有性能试样取样方向均为弦向。按照GB或HB规定的标准图样加工成各种力学性能标准试样，力学性能测试按照相应的标准方法进行。显微组织试样取自室温拉伸试样R部位，经砂磨、抛光、腐蚀制成，腐蚀剂为HF、HNO3和H2O混合溶液。
2 结果与分析
2.1 显微组织
环形锻件经不同温度固溶热处理后的显微组织如图1所示。由图1可知，3种固溶温度处理后的显微组织均为典型的α+β两相区锻造组织，即在β转变组织基体上存在球状初生α相。937 ℃、957 ℃和977 ℃固溶处理后的初生α相体积分数分别为50%、30%和15%，其尺寸分别为22 mm、16 mm和12 mm，β转变组织晶粒尺寸分别为22 mm、30 mm和50 mm，次生α相形貌和尺寸基本相似。
随着固溶温度升高，初生α相含量逐渐降低，相对应的β转变组织含量增加；初生α相尺寸进一步减小，而β转变组织尺寸增大。
2.2 力学性能
环形锻件经不同温度固溶处理后的室温拉伸性能见表1。与经937 ℃固溶处理的试样相比，经957 ℃固溶处理的试样的室温断裂强度和屈服强度分别增加了45 MPa和52 MPa，经977 ℃固溶处理的试样的断裂强度和屈服强度分别增加了67 MPa和62 MPa，而它们的塑性基本相当。
环形锻件经不同温度固溶处理后的400 ℃拉伸性能见表2。由表2可知，与经937 ℃固溶处理的试样相比，经957 ℃固溶处理的试样的400 ℃断裂强度和屈服强度分别增加了71 MPa和65 MPa，经977 ℃固溶处理的试样的400 ℃断裂强度和屈服强度分别增加了101 MPa和94 MPa，而它们的塑性也基本上相当。
图1 不同温度固溶处理后TC4钛合金环形锻件的显微组织
Fig. 1 Microstructures of TC4 alloy ring forging after solution treatment at different temperatures
当合金中初生α相含量从50%降低到15%时，其室温、400 ℃拉伸强度均不断提高，但塑性基本上相当。TC4钛合金环形锻件室温和400 ℃拉伸强度的提高，主要是初生α相尺寸减小和β相经700 ℃分解生成的细小弥散的α相作用的结果，尤其是后者。高温固溶处理时TC4钛合金组织由初生α相和β相构成，通过固溶后的快速冷却，β相转变成马氏体相α′和少量的亚稳定β相；经700℃时效后，马氏体相α′转变成α相(即次生α相)+β相，亚稳定β相分解成弥散细小α相和稳定的β相。这种细小弥散的α相产生强化作用。初生α相减少，意味着β转变组织中起强化作用的细小弥散的α相增多，强化效果更好。
环形锻件经不同温度固溶处理后的400 ℃持久性能和室温断裂韧度见表3。由表3可知，与937 ℃固溶试样相比，经957 ℃和977 ℃固溶处理的试样的400 ℃持久性能均有一定程度的提高，但室温断裂韧度有一定程度的降低。
随初生α相含量降低，钛合金的400 ℃持久性能提高，这也与β转变组织中的细小弥散强化相含量高有关。随初生α相含量降低，室温断裂韧度降低。影响断裂韧度的因素较多，一般而言，初生α相尺寸越大对断裂韧度越有利，起强化作用的细小弥散的α相对断裂韧度不利。
表1 TC4钛合金环形锻件的室温拉伸性能
Table 1 Tensile properties at RT of TC4 titanium alloy ring forging
表2 TC4钛合金环形锻件的400 ℃拉伸性能
Table 2 Tensile properties at 400 ℃ of TC4 titanium alloy ring forging
表3 TC4钛合金环形锻件的400 ℃持久性能和室温断裂韧度
Table 3 Creep rapture life at 400 ℃ and facture toughness at RT of TC4 titanium alloy ring forging
环形件经不同温度固溶处理后的室温应变控制低周疲劳性能如表4所示。这3种试样的低周疲劳性能是比较优良的。相比较而言，含50%初生α相含量的试样的低周疲劳性能最高，含30%初生α相含量的次之，含15%初生α相含量的最低。
随初生α相含量降低，室温应变控制的低周疲劳性能有一定程度的降低，这与文献[10]报道的结果相吻合。影响室温应变控制低周疲劳性能的因素较多且复杂，如初生α相含量、次生α相形貌等。一般而言，初生α相含量越高，对室温应变控制低周疲劳性能越有利。
表4 TC4钛合金环形锻件的室温应变控制的低周疲劳性能
Table 4 Strain control low cycle fatigue life at RT of TC4 titanium alloy ring forging
3 结论
1) 固溶温度升高，TC4钛合金中初生α相含量逐渐减少，初生α相尺寸越小，β转变组织尺寸越大。
2) 随初生α相含量降低，TC4钛合金的室温、400 ℃拉伸强度均提高，而塑性基本相当。
3) 随初生α相含量降低，400 ℃持久性能提高，室温断裂韧度和应变控制低周疲劳性能降低。
REFERENCES
[1] RUGG D. The current status of titanium alloy use in aero-engines[C]// LUTJERING G, ALBRECHT J. Titanium’s 2003, Science and Technology. Hamburg: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2004: 2727-2735.
[2] EbLINGER J, HELM D. Titanium in aero-engines[C]// LUTJERING G, ALBRECHT J. Titanium’s 2003, Science and Technology. Hamburg: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2004: 2845-2852.
[3] FEIST W D, NIKLASSON, FOX K M. The influence of manufacturing anomalies on fatigue performance of critical rotating parts in the aero-engine[C]// LUTJERING G, ALBRECHT J. Titanium’s 2003, Science and Technology. Hamburg: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2004: 2883-2890.
[4] TERLINDE G, WITULSKI T, FISHER G. Development of Ti-6246 engine discs[C]// LUTJERING G, ALBRECHT J. Titanium’s 2003, Science and Technology. Hamburg: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2004: 2891-2898.
[5] VOICE W E. Burn resistant titanium alloy (BuRTi)[C]// LUTJERING G, ALBRECHT J. Titanium’s 2003, Science and Technology. Hamburg: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2004: 2915-2922.
[6] 郭 萍, 洪 权, 赵永庆, 戚运莲, 辛社伟, 刘 伟. Ti600高温钛合金的力学性能[J]. 中国有色金属学报, 2010, 20(Special 1): s36-s39.
GUO Ping, HONG Quan, ZHAO Yong-qing, QI Yun-lian, XIN She-wei, LIU Wei. Mechanical properties of Ti600 high temperature titanium alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(Special 1): s36-s39.
[7] 周 廉. 美国、日本和中国钛工业发展评述[J]. 稀有金属材料与工程, 2003, 32(8): 577-584.
ZHOU Lian. Review of titanium industry progress in America, Japan and China[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2003, 32(8): 577-584.
[8] 黄张洪, 曲恒磊, 邓 超, 杨建朝. 航空用钛及钛合金的发展及应用[J]. 材料导报, 2011, 25(1): 102-107.
HUANG Zhang-hong, QU Heng-lei, DENG Chao, YANG Jian-chao. Development and application of aerial titanium and its alloys[J]. Materials Review, 2011, 25(1): 102-107.
[9] BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Materials Science and Engineering A, 1996, 213(1): 103-114.
[10] WAGNER L W, GREGORY J V. Improve the fatigue life of titanium alloys[J]. Advanced Materials and Processes, 1994, 94(3): 36-42.
(编辑 袁赛前)
收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10
通信作者：李四清，高级工程师，硕士；电话：010-62496628；E-mail: siqingli1963@126.com
摘 要：对两相锻TC4钛合金环形锻件进行4种制度热处理，以研究初生α相含量(体积分数)对合金力学性能的影响。采用光学显微镜和定量金相方法分析锻件的显微组织及其初生α相含量，测试锻件的拉伸、断裂韧度和低周疲劳等力学性能。结果表明，随着合金中初生α相含量的降低，其室温、400 ℃拉伸强度和400 ℃持久性能提高，但室温断裂韧度和低周疲劳性能降低。
