變形方式和熱處理工藝對Ti-662合金棒材組織和性能的影響

胡曉晨，陳 林，朱寶輝，陳睿博，劉彥昌，趙洪章，王 莉，鄭愛國

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

變形方式和熱處理工藝對Ti-662合金棒材組織和性能的影響

胡曉晨，陳 林，朱寶輝，陳睿博，劉彥昌，趙洪章，王 莉，鄭愛國

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

將Ti-662合金鑄錠在快鍛機(jī)和徑鍛機(jī)上經(jīng)過7火次鍛造制備出φ90 mm的棒材。研究了2種不同鍛造變形方式(軸向反復(fù)鐓拔和換向反復(fù)鐓拔)和不同熱處理工藝對Ti-662合金棒材組織和性能的影響。結(jié)果表明:采用換向反復(fù)鐓拔鍛造獲得的Ti-662合金棒材組織均勻無方向性，橫向性能較軸向鐓拔獲得的棒材明顯改善，縱、橫向性能差別不大;不同的熱處理實(shí)驗(yàn)對比得出，采用880℃×1 h/WC+600℃×4 h/AC固溶加時效處理可使棒材的強(qiáng)度和塑性達(dá)到良好匹配，縱、橫向力學(xué)性能均可滿足MIL-T-904標(biāo)準(zhǔn)要求，而且經(jīng)超聲波探傷檢測達(dá)到AMS 2631B中的A1級質(zhì)量要求。

Ti-662鈦合金;棒材;鍛造;熱處理;顯微組織;力學(xué)性能

1 前言

Ti-662屬于高強(qiáng)鈦合金，是美國在Ti-6Al-4V合金基礎(chǔ)上，添加較多β相穩(wěn)定元素釩及其他調(diào)節(jié)元素研制出的一種多元強(qiáng)化鈦合金。由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能(可在400℃以下長期使用)、較好的抗氧化性、耐蝕性和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、火箭發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆部件以及石油勘探設(shè)備等部件［1－4］。國內(nèi)相應(yīng)的牌號是 TC10鈦合金，應(yīng)用比較少。近幾年在迫擊炮身管上曾有應(yīng)用，但僅限于軍工行業(yè)，在其他行業(yè)的應(yīng)用并不多見，而且相關(guān)研究也鮮有報道。

Ti-662合金的名義成分為Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，與Ti-6Al-4V合金相比，Ti-662合金增加的β相穩(wěn)定元素極大地改善了其熱處理特性，常溫及高溫性能均有明顯的改進(jìn)，其退火態(tài)強(qiáng)度超過了Ti-6Al-4V合金退火態(tài)的強(qiáng)度，同時也可進(jìn)行固溶時效熱處理達(dá)到更高的強(qiáng)度。由于國內(nèi)對Ti-662合金棒材的鍛造和熱處理等研究較少，因此結(jié)合市場需求研究了鍛造變形方式及熱處理工藝對Ti-662合金棒材組織和性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用原料為Ti-662合金鑄錠。該鑄錠選用一級海綿鈦(粒度0.83～12.7 mm)、鋁錫合金、鋁釩合金、銅屑、鋁豆、鐵釘?shù)仍牧希鶕?jù)MIL-T-9047G標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)含量中間值進(jìn)行配料，混料均勻后進(jìn)行電極塊壓制和電極組焊，采用3 t真空自耗電弧爐經(jīng)過三次熔煉制備而成。鑄錠規(guī)格為φ600 mm，化學(xué)成分見表1。采用連續(xù)升溫金相法測得其相變點(diǎn)為(955±5)℃。

表1 Ti-662合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of Ti-662 alloy ingot

鍛造設(shè)備采用的是16MN快速液壓鍛造機(jī)和SXP-13徑向鍛造機(jī)。加熱設(shè)備為具有3級精度的箱式電阻爐。熱處理設(shè)備為具有2級精度的箱式電阻爐。拉伸試驗(yàn)在INSTRON 4505電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，顯微組織在Leica MM-6金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。棒材內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)采用CTS2020探傷儀進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

將φ600 mm的鑄錠在相變點(diǎn)以上β區(qū)(Tβ+100～200℃)開坯鍛造，經(jīng)過反復(fù)鐓拔使之變形量達(dá)到80%左右，再在α+β兩相區(qū)(Tβ－30～50℃)四鐓四拔鍛造至φ110 mm。兩相區(qū)鍛造時采用軸向反復(fù)鐓拔和換向反復(fù)鐓拔2種工藝方案。最后經(jīng)徑向鍛造得到φ90 mm的成品棒材。成品棒材分別采用3種方案進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，根據(jù)按文獻(xiàn)［3］將固溶熱處理工藝確定為880℃ ×1 h/WC，時效溫度選擇在580、600、620℃，成品棒材的熱處理方案見表2。

表2 Ti-662合金棒材熱處理方案Table 2 Heat treatment scheme of Ti-662 alloy ingot

3 結(jié)果與分析

3.1 變形方式對棒材組織和性能的影響

采用2種不同工藝方案鍛造的φ90 mm Ti-662合金棒材的顯微組織見圖1，力學(xué)性能見表3。

圖1 2種工藝方案鍛造的Ti-662合金棒材鍛造態(tài)金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of Ti-662 alloy rod forged by two methods

表3 2種工藝方案鍛造的Ti-662合金棒材力學(xué)性能比較Table 3 Mechanical properties of Ti-662 alloy rod forged by two forging process

從顯微組織對比來看，2種工藝方案鍛造態(tài)組織均為在β轉(zhuǎn)變基體上分布的細(xì)小等軸初生α相，為典型的α+β兩相組織［5］。其中，圖1a中有明顯的縱向加工流線，組織呈現(xiàn)一定的方向性，而圖1b中組織均勻沒有方向性。這是因?yàn)閳D1a采用的是軸向反復(fù)鐓拔，雖然經(jīng)過大變形，使鑄態(tài)組織得到充分破碎和球化，獲得了細(xì)小的初生α相和β轉(zhuǎn)變組織，但是由于在變形過程中晶粒不斷被拉長，形成變形組織，且鑄造組織中存在的偏析及夾雜等冶金缺陷，也隨之被破碎、拉長，沿主變形方向分布，從而造成變形后的組織具有一定的方向性［6］。因此采用軸向反復(fù)鐓拔鍛造，在金屬材料內(nèi)部容易形成軸向的流線，使組織具有一定的方向性。而圖1b采用的是換向反復(fù)鐓拔，不斷地改變主變形方向，在改善鑄造組織的同時，也不會形成變形流線，使得顯微組織均勻無方向性。

從力學(xué)性能對比來看，工藝方案一獲得的組織，縱向和橫向拉伸性能差異較大，縱向性能明顯優(yōu)于橫向。而工藝方案二獲得的組織雖然縱向性能也優(yōu)于橫向性能，但縱向和橫向的差異較小，各向同性明顯提高。而且，工藝方案二比工藝方案一的橫向性能有了大幅度提高。由此可見，采用換向反復(fù)鐓拔可以使Ti-662合金棒材的橫向性能得到大幅度提高。

3.2 不同熱處理制度對棒材組織和性能的影響

Ti-662合金可以在退火和固溶時效狀態(tài)下使用。為了獲得更好的強(qiáng)度，對經(jīng)過換向反復(fù)鐓拔鍛造的Ti-662合金棒材進(jìn)行了固溶加時效處理。圖2為Ti-662合金棒材經(jīng)不同工藝熱處理后的金相照片。其中，圖2a為經(jīng)過880℃ ×1 h/WC固溶處理后的顯微組織，由于Ti-662合金富含β相穩(wěn)定元素，所以水淬后的組織由少量的初生α、馬氏體轉(zhuǎn)變的α相和亞穩(wěn)態(tài)β相組成［2］。而淬火得到的馬氏體硬度低而塑性高，且存在非平衡相，需要進(jìn)一步的時效處理。圖2b～d為固溶后經(jīng)過不同溫度時效處理后的顯微組織。隨著時效溫度的增加，強(qiáng)化α相的數(shù)目增多并粗化，彌散度變小。時效時產(chǎn)生的強(qiáng)化是由于淬火時形成的亞穩(wěn)定相繼續(xù)分解造成的。亞穩(wěn)態(tài)β相分解時其強(qiáng)化效果最大，時效時在β相里析出足夠多的彌散α相，并隨著時效溫度降低，析出的α相更彌散，從而獲得更大的強(qiáng)化效果。亞穩(wěn)態(tài)組織在時效時的分解包含馬氏體相和亞穩(wěn)態(tài)β相的分解。馬氏體相的分解，是在α相的基體中析出β相，基體α成分接近于反應(yīng)達(dá)到平衡時的α相的成分。亞穩(wěn)態(tài)β相的分解，是由于Ti-662合金中包含的Cu和Fe屬于β共析型穩(wěn)定劑，亞穩(wěn)態(tài)β相分解平衡后的相組成為α+β和α+化合物，進(jìn)一步起到強(qiáng)化作用［7－8］。

圖2 換向反復(fù)鐓拔鍛造的Ti-662合金棒材經(jīng)不同工藝熱處理后的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographs of Ti-662 alloy rod after different heat treatment processes

Ti-662合金棒材經(jīng)固溶加時效處理后的力學(xué)性能見表4。從表4中可以看出，時效溫度較低時，強(qiáng)度較高，塑性較低;隨著時效溫度的提高，強(qiáng)度卻明顯下降，塑性提高，其中，時效溫度為600℃時，強(qiáng)度和塑性得到了良好匹配，縱、橫向力學(xué)性能均可滿足MIL-T-9047G標(biāo)準(zhǔn)要求。

對880℃ ×1 h/WC+600℃ ×4 h/AC固溶加時效處理后的Ti-662合金棒材進(jìn)行超聲波探傷檢測，質(zhì)量達(dá)到AMS 2631B中A1級要求，可以證明材料的組織均勻，內(nèi)部質(zhì)量一致性好。

表4 Ti-662合金棒材經(jīng)不同工藝熱處理后的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties Ti-662 alloy rod after different heat treatment

4 結(jié)論

(1)與軸向反復(fù)鐓拔鍛造相比，換向反復(fù)鐓拔鍛造獲得的Ti-662合金棒材可避免組織呈現(xiàn)一定的方向性，減少了縱向組織和橫向組織的力學(xué)性能差別，提高了組織和性能的均勻性。

(2)換向反復(fù)鐓拔鍛造獲得的Ti-662合金棒材經(jīng)880℃ ×1 h/WC+600℃ ×4 h/AC固溶時效處理后，強(qiáng)度和塑性達(dá)到了良好匹配，具有很好的綜合力學(xué)性能。

［1］稀有金屬加工手冊編寫組.稀有金屬材料加工手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版，1984:87.

［2］Wood R A，F(xiàn)avor R J.鈦合金手冊［M］.劉靜安，吳煌良，姚毅中，等譯.重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1983:75－86.

［3］戚運(yùn)蓮，杜宇，劉偉，等.熱處理溫度對TC10鈦合金棒材組織與性能的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(5):31－33.

［4］陳國財，楊文甲，陳蘇，等.鍛造工藝對TC10鈦合金棒材性能的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2010，20(增刊1):25－27.

［5］朱寶輝，趙洪章，沈立華，等.TC19鈦合金棒材的研制［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(3):26－28.

［6］姚澤坤.鍛造工藝學(xué)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005:78－79.

［7］莫畏.鈦［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2008:664－668.

［8］邵軍，陶海林，王農(nóng).熱處理工藝對TC16鈦合金棒材性能的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(3):32－34.

Effects of Deformation Mode and Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of Ti-662 Alloy Rod

Hu Xiaochen，Chen Lin，Zhu Baohui，Chen Ruibo，Liu Yanchang，Zhao Hongzhang，Wang Li，Zheng Aiguo
(Ningxia Orient Tantalum Industry Co.，Ltd.，Shizuishan 753000，China)

The Ti-662 alloy bars with the dimension of φ90 mm were prepared through seven fire forging by quick forging machine and radial forging machine.The influence of different deformation mode(axial repeatedly upsetting pull and commutation repeatedly upsetting pull)and heat treatment on the microstructure and properties of Ti-662 alloy bars was investigated.The results show that the lateral performance of the bars forged by commutation repeatedly upsetting pull is better than the bars forged by axial repeatedly upsetting pull，and there is no obvious difference between longitudinal and lateral performance.Besides，by the heat treatment experimental comparison，the best combination of strength and ductility can be obtained by the condition of 880℃ ×1 h/WC+600℃ ×4 h/AC，the longitudinal and lateral mechanical properties can both meet the standard requirement of MIL-T-904.And the bars can achieve the quality requirements of AMS 2631B A1 level by the ultrasonic flaw detection.

Ti-662 titanium alloy;rods;forge;heat treatment;microstructure;mechanical properties

2012－11－02

胡曉晨(1984—)，男，助理工程師。