简介概要

TF1抗燃烧钛合金热处理工艺研究

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：雷力明黄旭赵红霞王宝

关键词：抗燃烧钛合金; 热处理工艺; α相; 蠕变性能;

摘要：TF1合金铸锭经3次真空自耗熔炼, 开坯锻造后轧制出Φ18 mm的棒材. 棒材经不同热处理制度处理后, 测定了主要力学性能, 并应用光学显微镜、 TEM、 X射线衍射等方法分析了其相结构及相组成. 认为TF1合金是以β相为基体组织的合金, 在等轴β晶粒边界和晶粒内部分布着大量的颗粒, 其体积百分比约占3%～4%, 进一步分析为TiC颗粒相和细小的α相. 经过热处理制度对力学性能, 特别是蠕变性能影响的对比研究, 发现热处理制度对拉伸性能影响不大, 而细小、弥散分布的析出相提高了合金的蠕变性能.

稀有金属 2004,(01),62-65 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.016

TF1抗燃烧钛合金热处理工艺研究

黄旭雷力明赵红霞

北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095

摘要：

TF1合金铸锭经 3次真空自耗熔炼 , 开坯锻造后轧制出Φ18mm的棒材。棒材经不同热处理制度处理后 , 测定了主要力学性能 , 并应用光学显微镜、TEM、X射线衍射等方法分析了其相结构及相组成。认为TF1合金是以β相为基体组织的合金 , 在等轴β晶粒边界和晶粒内部分布着大量的颗粒 , 其体积百分比约占 3 %～ 4%, 进一步分析为TiC颗粒相和细小的α相。经过热处理制度对力学性能 , 特别是蠕变性能影响的对比研究 , 发现热处理制度对拉伸性能影响不大 , 而细小、弥散分布的析出相提高了合金的蠕变性能。

关键词：

抗燃烧钛合金;热处理工艺;α相;蠕变性能;

中图分类号： TG162

收稿日期：2003-09-10

基金：国防“十五”重点预研项目 ( 4 13 12 0 2 0 3 0 2 );

Heat Treatment Process of TF1 Combust-Resistant Titanium Alloy

Abstract：

The casting ingot of TF1 combust resistant titanium alloy was melted through three vacuum arc furnaces, and then it was forged and rolled to Φ18 mm bar. The main mechanic properties of TF1 alloy were measured at different heat treatment processes, and then were observed by the optical microscope, SEM and TEM. The heat treatment process of TF1 alloy was investingated, and the microstructure and phases constituent of TF1 were analyzed. The data show that the matrix is β phase, with homogeneously distributed TiC particles and α phase. The fine precipitated phases improves the creep resistant property of TF1. It is concluded that the mechanical properties are improved in creep resistant property mainly by fine and dispersive precipitates.

Keyword：

combust resistant titanium alloy; heat treatment process; α phase; creep property;

Received： 2003-09-10

为了提高航空发动机的推力, 必须增加压气机的压缩比, 而压气机的总增压比与压气机出口温度直接相关。总增压比超过30后, 压气机出口温度可接近700 ℃, 所以在高压压气机后段, 各国都选用了铁基和镍基高温合金, 但是为了减轻发动机后段的结构重量, 人们都十分重视高温钛合金的研究和应用, 以取代比重较大的铁基和镍基高温合金。

最先进的发动机F119和V2500等都大量使用钛合金, 例如V2500发动机用钛量达31% (质量分数) 。但钛合金在一定温度、压力和气流速度条件下“着火”的倾向严重地影响了钛合金在航空工业中的扩大使用。 20世纪70年代后期, 西方在90多起无名的飞行事故中发现, 由于外来物或轴承失效等原因, 引起发动机钛合金叶片和钛机匣的强烈摩擦而着火的现象, 从而开始限制钛合金在发动机高温段使用。我国军方在20世纪90年代初以原苏联《95型发动机修理指导》第八册中得知前苏联也曾发生过“钛火”, 而对WP13发动机的钛机匣作出限制性措施。 1992, 1993年空军工程部和航空部两次召开了关于钛火的专家研讨会, 并在“限制使用温度”、 “修改结构”和“涂层”方面首先采取措施。

为了满足先进发动机的要求, 需要研究出对持续燃烧不敏感的钛合金, 而TF1合金具有良好的抗燃烧性, 成分是Ti-35V-15Cr, 钼当量47, 是稳定β型合金。该合金显示出良好的高温拉伸和高温蠕变性能, 前期的工作表明, 该合金具有好的制造性能, 包括冷成形性和焊接性, 可以轧制出板材。

1 试验过程与方法

TF1合金配料成分为Ti-35V-15Cr-C, 采用真空自耗电弧和凝壳熔炼相结合的方法熔炼出14 kg级铸锭。铸锭切去冒口, 扒皮, 取化学分析试样, 化学分析结果见表1, 从表1可知, 铸锭的上、中、下各元素的含量基本相等, 说明其成分均匀性良好。

铸锭经真空堆焊纯钛保护层后, 在1010 ℃开坯锻造出Φ30 mm的棒坯, 然后再在950 ℃轧制出Φ18 mm的棒材。锻造开坯时, 每火变形量应控制在30%以内。

表1 TF1铸锭化学分析结果 (%, 质量分数) 下载原图

Table 1 Chemical compositions of TF1

表1 TF1铸锭化学分析结果 (%, 质量分数)

Φ18 mm棒材经不同热处理制度处理后, 测定了它们的室温拉伸、 540 ℃高温拉伸性能, 以及540 ℃, 100 h热暴露后的热稳定性能和540 ℃, 250 MPa, 100 h的蠕变性能, 并应用光学显微镜、 TEM, X射线衍射等分析了其相结构及相组成。

2 结果分析及讨论

2.1 热处理制度与微观组织

选择以下几种热处理制度: (a) 820 ℃, 1.5 h, AC; (b) 880 ℃, 1.5 h, AC+600 ℃, 2 h, AC; (c) 950 ℃, 1.5 h, AC; (d) 950 ℃, 1.5 h, AC+600 ℃, 2 h, AC, 经热处理后得到的显微组织如图1所示。

从图1 (a) 和图1 (c) 的比较中可知, 随着固溶温度的提高, 晶粒变得略粗大, 但变化不明显; 而细小的颗粒相析出明显增多。从图1 (b) 和 (d) 与图1 (a) 和 (c) 的比较中发现, 经时效处理后的合金其组织比单纯的固溶处理后的合金的组织吸出更多的细小颗粒相。从图1 (d) 中可见, 在950 ℃, 1.5 h, AC+600 ℃, 2 h, AC处理后, 基体中分布的大颗粒相汇聚, 部分变成短棒状。

从图1可以看出, 在基体组织等轴晶粒边界和晶粒内部分布着大量的大颗粒和小颗粒, 其体积百分比约为3%～4%。由于颗粒相较细小, 所以

图1 不同热处理制度下的显微组织

Fig.1 Microstructure under different heat-treatment processing

(a) 820 ℃, 1.5 h, AC; (b) 880 ℃, 1.5 h, AC+600 ℃, 2 h, AC; (c) 950 ℃, 1.5 h, AC; (d) 950 ℃, 1.5 h, AC+600 ℃, 2 h, AC

图2 TEM观察颗粒相形貌

Fig.2 Micrograph of TiC particles by TEM

用透射电镜进行分析较大颗粒形貌相, 如图2。经TEM电子衍射花样标定分析, 基体为体心立方的β相 (图3) , 大颗粒析出相为TiC (图4) 。合金中加入了C元素, 从Ti-C二元相图中可看出, 在1645±8 ℃和4.4% (原子分数) C处发生共晶反应L^?β+TiC。因此, 合金中C的引入会导致碳化物的形成。 TiC具有面心立方结构, 晶格常数为0.430 nm (33%, 原子分数) 和0.4325 nm (50%, 原子分数) 。经X射线衍射分析, 细小弥散分布的析出相为α相 (图5) 。

2.2 热处理制度与力学性能

不同热处理制度对应的TF1合金的拉伸性能如表2, 3。

从表2的室温拉伸、高温拉伸和热稳定性能看, 所选用的热处理制度对合金的拉伸性能影响不大, 这是因为影响合金拉伸性能主要由其微观组织决定, 而从图1可以看出, 4种热处理制度微观组织基本相同。

从图6可见, 合金的蠕变性能随着固溶温度的提高明显提高, 但在880 ℃以上, 作用已不明显;另外在880 ℃固溶温度以下, 从图6可见, 经时效处理后的合金其蠕变性能比单纯的固溶处理后合金的蠕变性能要好; 但在950 ℃固溶时, 固溶+时效热处理后的蠕变性能反而低于单纯固溶的性能。这是因为, 影响合金蠕变性能的主要因素是析出相的种类、形貌、分布和大小, 从820～950 ℃, 随着固溶温度的升高, 析出相含量增加, 而析出相是细小的、弥散分布的, 在蠕变过程中对位错有阻碍其运动的作用, 改善了合金的蠕变性能。在900 ℃以下, 固溶后再时效会析出多的颗粒相, 也有利于蠕变性能的提高。但在900 ℃以上固溶, 已经析出了足够量的颗粒相, 再时效, 作用不明显。综上所述, TF1合金较理想的热处理制度为950 ℃, 1.5 h, AC。