熱等靜壓工藝參數對ZTC4鈦合金力學性能的影響

趙嘉琪，楊偉光，南 海，吳國清

（1北京航空材料研究院，北京100095；2北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京100191）

熱等靜壓工藝參數對ZTC4鈦合金力學性能的影響

趙嘉琪1，楊偉光2，南 海1，吳國清2

（1北京航空材料研究院，北京100095；2北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京100191）

為了使ZTC4鈦合金鑄件具有較優的力學性能，系統地研究了熱等靜壓溫度、時間、壓力等工藝參數對ZTC4鈦合金鑄板力學性能的影響。結果表明：熱等靜壓工藝參數變化對ZTC4鈦合金室溫拉伸性能、彎曲性能都有影響，其中對ZTC4鈦合金伸長率的影響最為明顯，但對沖擊性能影響不顯著。綜合考慮各因素，在920℃／125MPa／2h熱等靜壓工藝條件下可使ZTC4鈦合金鑄件獲得較好的綜合力學性能。

熱等靜壓；鈦合金；力學性能

ZTC4鑄造鈦合金具有密度低，熱處理工藝簡單，在保持較高強度水平下具有韌性好、疲勞強度高、耐蝕性以及與復合材料有良好相容性等優良的綜合性能，在航空、航天、航海以及化工等行業中得到廣泛的應用，更是大型飛機中大型薄壁復雜非對稱精密鑄件的首選材料之一［1－4］。然而，鈦合金鑄件也容易產生縮松、縮孔以及氣孔等缺陷，這些缺陷直接影響鑄件性能，成為鑄件失效的隱患。熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）是20世紀70年代在國外發展起來的一項新技術，通過熱等靜壓過程中的高溫、高壓可以使鑄件內部的封閉氣孔、縮松被壓實閉合，并擴散結合成致密的組織，使鑄件的缺陷得到修復，從而消除鑄件內部孔洞類缺陷，提高鑄件的力學性能［5］，因此，被廣泛地用于鈦合金鑄件的處理中。

熱等靜壓過程可以分為兩個階段，首先是氣孔體積的收縮和閉合，在此階段金屬向氣孔內部發生塑性流動，將氣孔壓合；然后合金元素發生擴散與蠕變，這一階段中原先氣孔壓合后形成的表面發生完全的冶金連接，這樣既消除了氣孔，又不會在壓合處形成平面裂紋。但是，由于熱等靜壓處理溫度較高，在熱等靜壓工藝處理過程中鈦合金鑄件內部缺陷得到修復的同時，會不同程度地發生晶粒粗大，這在一定程度上抵消了熱等靜壓帶來的對鑄件性能的積極影響［6－10］。然而，晶粒的粗大與熱等靜壓工藝參數息息相關，而目前就熱等靜壓溫度、時間、壓力等對ZTC4鈦合金組織和性能影響的研究還很少。因此，本工作開展了熱等靜壓溫度、時間、壓力對鈦合金拉伸性能、彎曲性能以及沖擊性能的影響的研究，這為精確控制熱等靜壓工藝，進一步提高鑄件的綜合性能提供理論依據。

1 實驗材料和方法

采用離心鑄造ZTC4鈦合金板為研究材料，鑄板規格為300mm×110mm×6mm，其化學成分達到了GJB2896A—2007《鈦及鈦合金熔模精密鑄造規范》的要求，具體成分如表1所示。

表1 ZTC4合金鑄板元素含量（質量分數／%）Table 1 Chemical compositions of ZTC4 alloy（mass fraction／%）

采用QIH－16型熱等靜壓設備進行熱等靜壓實驗，在900～940℃，110～140MPa，1～3h范圍內研究了熱等靜壓溫度、時間、壓力3個工藝參數對ZTC4鈦合金組織的影響。設備升溫速率為10℃／min，升壓速率為1MPa／s。熱等靜壓工藝試驗參數的選擇如表2所示，ZTC4鑄板隨爐冷卻至300℃以下出爐，傳壓介質為氬氣，每爐試樣數5個。

表2 熱等靜壓試驗方案設計Table 2 Experiment scheme of HIP treatment

拉伸和彎曲試驗在SANS CMT5504試驗機上進行，加載速率為0.5mm／min。沖擊試驗在 SANS ZBC2000試驗機上進行，沖擊速率為12.5m／s。拉伸試樣和沖擊試樣分別按北京航空材料研究院2591－S017和2591－S041標準加工，彎曲試樣按照 GBT14452－93《金屬彎曲力學性能試驗方法》進行加工。

2 實驗結果與討論

2.1 熱等靜壓工藝對ZTC4鈦合金室溫拉伸性能的影響

本工作在900～940℃，110～140MPa，1～3h范圍內研究了熱等靜壓工藝參數變化對ZTC4鈦合金室溫力學性能的影響規律。圖1～3分別給出了熱等靜壓溫度、時間和壓力對ZTC4鈦合金室溫拉伸性能的影響曲線。可以看出，溫度和時間對鈦合金力學性能的影響基本一致，表現出隨著溫度的升高或者時間的延長，屈服強度、抗拉強度有一定程度的下降，強度變化范圍在30～40MPa之間。而熱等靜壓壓力對室溫拉伸強度的影響規律表現為隨著壓力的增加屈服強度一直下降，而且屈服強度在125～140MPa范圍內的波動明顯高于110～125MPa范圍內，而抗拉強度卻呈現出隨壓力升高先增加后降低的趨勢。熱等靜壓工藝參數的變化對ZTC4鈦合金伸長率的影響較為明顯，隨著溫度的升高、壓力的增大或者時間的延長，伸長率均呈現出先增加后降低的規律，并在溫度為920℃，時間為2h和壓力為125MPa處存在極值。

圖1 熱等靜壓工藝參數對屈服強度的影響（a）溫度；（b）時間；（c）壓力Fig.1 Effects of HIP parameters on the yield strength of ZTC4alloy（a）temperature；（b）holding time；（c）pressure

2.2 熱等靜壓工藝對ZTC4鈦合金室溫彎曲性能的影響

圖4，5分別給出了熱等靜壓溫度、時間和壓力對ZTC4鈦合金室溫彎曲性能的影響曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的升高、壓力的增大或者時間的延長，ZTC4鈦合金的規定非比例彎曲應力和抗彎強度基本上都略有提高，其中的一個例外是經過940℃處理的鑄板的規定非比例彎曲應力相比920℃處理的鑄板略有下降，但是降幅不大，在3%左右。

2.3 熱等靜壓工藝對ZTC4鈦合金室溫沖擊性能的影響

圖6分別給出了熱等靜壓溫度、壓力和時間對ZTC4鈦合金室溫沖擊性能的影響曲線。從圖6可以看出，沖擊韌性數據波動范圍較小，熱等靜壓工藝參數溫度、時間和壓力的變化對沖擊韌性的影響均不明顯。

2.4 討論

從實驗結果可知，熱等靜壓工藝參數變化對ZTC4鈦合金室溫拉伸性能、彎曲性能存在影響，但對沖擊性能影響不大，其中對ZTC4鈦合金的伸長率的影響最為明顯。將這些實驗數據與國軍標要求對比，當溫度選擇900℃和940℃時，如圖3（a）所示伸長率剛達到國軍標的要求（大于5%）；當時間選擇3h時，如圖1（b）所示屈服強度未達到國軍標的要求（765MPa）；當壓力選擇140MPa時，如圖3（c）所示伸長率低于國軍標的要求（大于5%），如圖1（c）所示屈服強度低于國軍標的要求（765MPa）。因此，在選擇工藝參數時，應避免選擇過高的壓力，并且熱等靜壓時間不宜過長，溫度不宜過低。在920℃／125MPa／2h熱等靜壓工藝條件下獲得了較好的綜合力學性能。

表3所示為熱等靜壓前后ZTC4鈦合金室溫力學性能，鑄造態ZTC4鈦合金的屈服強度，抗拉強度和伸長率分別是753，891MPa和3.45%，經過溫度為920℃，時間為2h和壓力為125MPa的熱等靜壓工藝處理后ZTC4鑄件的室溫拉伸屈服強度提高了30MPa左右，抗拉強度小幅下降，伸長率大幅度提高。這主要是因為熱等靜壓后鑄件中宏觀和微觀鑄造缺陷得到愈合，提高了承受載荷的截面積，缺陷處優先形變屈服的現象得到抑制，使得合金達到規定非比例拉伸強度所需要的載荷加大，導致屈服強度提高了。同時，由于縮松、氣孔、縮孔等鑄造缺陷得到壓合，并且壓合處金屬產生擴散，發生冶金結合，壓合處的平面裂紋產生得到抑制，在拉伸過程中，裂紋的形成較之前更為困難，伸長率得到提高。然而，在熱等靜壓過程中，晶粒尺寸增加，片層間距變寬，同時合金內部位錯密度下降，內應力得到釋放，這導致抗拉強度稍有下降。

表3 熱等靜壓前后ZTC4鈦合金室溫力學性能的對比Table 3 Mechanical properties of as－casting and HIPed ZTC4alloy

考慮到實際工況條件，建議ZTC4鈦合金鑄件的熱等靜壓工藝為：溫度920℃±10℃，壓力120MPa±10MPa，時間1～2h。

3 結論

（1）熱等靜壓工藝參數變化對ZTC4鈦合金室溫拉伸性能、彎曲性能存在影響，但對沖擊性能影響不大，其中對ZTC4鈦合金的伸長率的影響最為明顯。在選擇工藝參數時，應避免選擇過高的壓力，并且熱等靜壓時間不宜過長，溫度不宜過低。

（2）在920℃／125MPa／2h熱等靜壓工藝條件下的確獲得了較好的綜合力學性能，屈服強度為782.1MPa，抗 拉 強 度 為 876.5MPa，伸 長 率 達 到5.73%，在該工藝條件下，彎曲性能和沖擊性能適中。考慮上述因素和實際工況，建議ZTC4鈦合金的熱等靜壓工藝為：溫度920℃±10℃，壓力120MPa±10MPa，時間1～2h。

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Effects of Hot Isostatic Pressing Treatment Parameters on Mechanical Properties of ZTC4Casting Titanium Alloy

ZHAO Jia－qi1，YANG Wei－guang2，NAN Hai1，WU Guo－qing2
（1Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

In order to obtain the best mechanical properties of ZTC4alloy casting，effects of hot isostatic pressing treatment parameters（temperature，time and pressure）on microstructure of ZTC4 casting titanium alloy were investigated systemically.The results show that the room temperature tension and bend properties are obviously affected by the hot isostatic pressing treatment parameters，especially the elongation of ZTC4alloy，but the impact property is affected slightly.The casting show the best mechanical properties when they are HIP at 920℃for 2hwith the pressure of 125MPa，by consideration of all the conditions.

hot isostatic pressing；titanium alloy；mechanical property

TG166.9

A

1001－4381（2011）10－0042－05

北京市科技新星計劃（2007B016）；教育部長江學者和創新團隊發展計劃（IRT0805）

2010－09－01；

2011－02－27

趙嘉琪（1980—），男，工程師，碩士，從事鈦合金鑄造方面的研究，聯系地址：北京航空材料研究院鑄鈦技術中心，北京市81信箱21分箱鑄鈦技術中心（100095），E－mail：zhaojiaqi＠sina.com.cn