2 種軋制溫度下BT25 鈦合金棒材組織與性能

王文杰，趙永慶，曾立英

(1. 海軍裝備部，陜西 西安 710021)

(2. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

1 前 言

BT25 鈦合金(Ti-6.7Al-1.5Sn-1.5Zr-2Mo-lW-0.15Si)是由俄羅斯研制的，是馬氏體型的α + β 兩相鈦合金。其工作溫度可達500 ～550 ℃，是用于發動機的理想熱強鈦合金之一，可用于制造壓氣機零件［1-5］。

目前，BT25 鈦合金已經應用在航空發動機上，這些年來我國也對該合金進行了大量的研究［1-5］，報道了該合金棒材性能、軋制技術及其對合金組織和性能的研究［2，5］。由于工藝決定組織，組織決定性能，因此合金棒材的最終性能與其鍛造、軋制及熱處理工藝密切相關。在眾多工藝參數中，軋制溫度對棒材最終性能的影響尤為重要。因此，應用戶要求，研究了950 ℃和980 ℃(950 ℃位于常規的兩相區加工溫度區間，比相變點低50 ℃;980 ℃位于兩相區加工的高溫區，接近近β 鍛造溫度)軋制的BT25 鈦合金棒材的室溫、500 ℃及550 ℃拉伸性能、熱穩定性能與持久性能，以及950 ℃軋制棒材的室溫、400 ℃、500 ℃、550 ℃和600 ℃拉伸性能。

2 實 驗

實驗用的BT25 鈦合金鑄錠經三次重熔而成，尺寸為φ280 mm，其化學成分為:6.3%Al，2.0%Sn，1.59%Zr，1.98%Mo，0.73%W，0.29%Si，0.04%Fe，0.011%N，0.01%C，0.002%H，0.14%O。金相法測定該合金的相轉變溫度約為1 010 ℃±10 ℃。鑄錠在1600t 快鍛機上開坯鍛造后，多火次反復鐓拔獲得φ70 mm 棒材;隨后將φ70 mm 的棒料在SKK-10 精鍛機上精鍛成φ50 mm 棒材;最后將φ50 mm的棒料分別在950 ℃和980 ℃于ZJ-250 軋機上一火次軋制成φ12 mm 棒材。

在2 種溫度軋制的棒材上分別切取拉伸試樣，并按照960 ℃×1 h/AC +550 ℃×6 h/AC 的熱處理制度對其進行熱處理。隨后將部分試樣在550 ℃熱暴露100 h 后對其進行室溫拉伸試驗以評價其熱穩定性。所有拉伸與持久試樣均采用標距長25 mm，直徑5 mm 的棒狀樣品。室溫拉伸、高溫拉伸以及持久試驗分別在Instron-1185 型、Instron-5985 型電子拉伸機以及BN2 型高溫持久試驗機上完成。室溫沖擊試驗選用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的梅氏U型缺口試樣，在JB-30B 沖擊試驗機上進行。在奧林巴斯PMG-3 型顯微鏡上觀察合金組織。

3 結果與討論

3.1 2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的組織形貌

通常情況下，可根據合金要求的力學性能來選擇其顯微組織的類型，進而確定加工工藝。魏氏組織具有良好的高溫抗蠕變性能，但其塑性、熱穩定性和疲勞性能最差。網籃組織和雙態組織綜合力學性能良好(強度和塑性均較好)，前者的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展性能良好，但其疲勞性能和熱穩定性要相對差一些。與雙態組織相比，網籃組織具有更優異的抗蠕變性能。等軸組織具有最好的拉伸塑性和熱穩定性，但其抗蠕變性能最低［6］。為保證壓氣機零件的使用壽命和可靠性，就BT25 鈦合金而言，一般會選擇網籃組織或雙態組織。

圖1 給出2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的金相照片。由圖可知，經960 ℃×1 h/AC +550 ℃×6 h/AC 處理后，2 種溫度軋制棒材的組織形貌基本相似，均為由初生α 相和條狀β 轉變組織構成的雙態組織，其中白色的等軸狀顆粒為初生α 相，條狀為β 轉變組織。白色初生α 相均勻分布在黑色的β 基體上。980 ℃軋制的棒材初生的等軸α 相尺寸大，而次生的α 相細長，有部分厚短的α 片層彎曲，連接成鏈狀，如圖1a 所示。軋制溫度降至950 ℃，BT25 鈦合金棒材中初生的等軸α 相數量減少，尺寸變小;較次生的細長α 相數量減少，尺寸變化不大，如圖1b 所示。這是因為軋制溫度高，晶粒尺寸有所長大。總體來說，BT25 鈦合金軋制棒材組織比較均勻，且隨著變形溫度的降低，組織變得細小。

圖1 2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材熱處理后的金相照片Fig.1 Metallographs of BT25 titanium alloy bars rolled at different temperatures

3.2 2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的力學性能

表1 示出BT25 鈦合金熱軋棒材的室溫拉伸性能以及其在550 ℃熱暴露100 h 后的室溫拉伸性能。表2 示出BT25 鈦合金的高溫拉伸性能與持久性能。從表1 可以看出，2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的室溫拉伸性能與熱穩定性能均滿足用戶提出的指標要求。其中，980 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材的室溫拉伸性能均優于950 ℃的，抗拉強度比950 ℃的約高1.73%，延伸率約高5.1%。在550 ℃熱暴露100 h后，980 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材的抗拉強度與室溫相比基本沒有發生變化，屈服強度有所升高，延伸率降低幅度較大，大約降低了42.3%;而950 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度均升高2%左右，延伸率降低13.51%。室溫下2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材的沖擊韌性相當。從表2 中可以看出，2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材在500 ℃和550 ℃的高溫拉伸與持久性能相差不大，均滿足用戶提出的指標要求。這表明軋制溫度對BT25 鈦合金棒材的高溫拉伸性能與持久性能影響不大。

表1 BT25 鈦合金棒材的室溫拉伸性能與熱穩定性能Table 1 Tensile properties at ambient temperature and thermal stabilities of BT25 alloy bars

表2 BT25 鈦合金棒材的高溫拉伸性能與持久性能Table 2 Tensile properties and duration time of BT25 alloy bars exposed with a certain stress at 500 ℃and 550 ℃

總之，2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材均具有較好的室、高溫拉伸性能、沖擊韌性、熱穩定性與持久性，可滿足用戶提出的指標要求，且室溫拉伸性能與熱穩定性能均比指標要求富余較大量。

圖2 示出BT25 鈦合金950 ℃軋制棒材在室溫、400 ℃、500 ℃、550 ℃以及600 ℃的拉伸性能。從圖中可以看出，當試驗溫度從400 ℃升至550 ℃，Rm的降幅只有11.3%，而A 恒為10%，Z 的增幅為80%，這表明在400 ～550 ℃，該合金棒材的室溫拉伸性能變化幅度不大。600 ℃時，雖然其Rm有所下降，但仍具有較好的室溫拉伸性能，此時Rm=635 MPa，Rp0.2=590 MPa，A=10%，Z=50%。

圖2 950 ℃軋制的BT25 鈦合金棒材在不同溫度下的拉伸性能Fig.2 Tensile properties tested at different temperatures of BT25 alloy bars rolled at 950 ℃

4 結 論

(1)2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材組織比較均勻，均為初生α 相和條狀β 轉變組織構成的雙態組織。變形溫度較低時，組織較細小，合金的綜合性能較高，尤其是熱穩定性能相對好一些。

(2)2 種溫度軋制的BT25 鈦合金棒材經960 ℃×1 h/AC+550 ℃×6 h/AC 熱處理后，合金的綜合性能較佳，其室溫和高溫拉伸性能、持久性能與熱穩定性能均達到了用戶提出的指標要求。

(3)950 ℃、980 ℃2 種溫度軋制棒材的高溫拉伸性能、沖擊韌性基本相當。980 ℃軋制棒材的室溫拉伸性能優于950 ℃軋制的棒材。950 ℃軋制的棒材550 ℃熱暴露100 h 后塑性降低程度較小，表明其熱穩定性能優于980 ℃軋制的棒材。

(4)400 ～550 ℃下，950 ℃軋制的棒材的室溫拉伸性能變化幅度不大，且600 ℃時，仍具有良好的室溫拉伸性能。

［1］彭新元，劉元春，周賢良，等. 雙重退火對BT25 鈦合金組織與性能的影響［J］. 金屬熱處理，2010，35(4):42-46.

［2］史小云，杜建超，王文盛，等. BT25 鈦合金棒材的組織和性能研究［J］. 鈦工業進展，2009，26(2):28 -30.

［3］袁少沖，毛小南，張鵬省，等. 熱強鈦合金BT25 組織與性能［J］. 鈦工業進展，2006，23(3):19 -22.

［4］白曉環，呂平，徐慶. 熱處理工藝對BT25 鈦合金鍛件的組織與性能的影響［J］. 鈦工業進展，2008，25(5):20-22.

［5］康彥，鄧超，徐先澤，等. BT25 鈦合金大規格棒材的研究［J］. 鈦工業進展，2008，25(3):15 -18.

［6］朱知壽. 航空結構用新型高性能鈦合金材料技術研究與發展［J］. 航空科學技術，2012，(1):5 -9.