熱加工溫度對Ti6242S合金小規格棒材組織及性能的影響

雷錦文，馬 馳，張曉冬，孫小平，李少強，賴運金

(1.西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)(2.中航商用航空發動機有限公司，上海 201108)(3.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110034)

熱加工溫度對Ti6242S合金小規格棒材組織及性能的影響

雷錦文1，馬 馳2，張曉冬3，孫小平1，李少強1，賴運金1

(1.西部超導材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)(2.中航商用航空發動機有限公司，上海 201108)(3.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110034)

采用SXP-16精密鍛造機，分別以920、940、960 ℃三種不同的熱加工溫度將φ85 mm的Ti6242S合金棒坯精鍛至φ32 mm葉片用小規格棒材。研究了三種不同熱加工溫度對Ti6242S合金棒材顯微組織、力學性能及探傷雜波水平的影響。結果表明：隨著熱加工溫度的提高，初生α相含量降低，等軸化提高；經過相同的熱處理制度(980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC)處理后，三種不同溫度熱加工的棒材顯微組織和力學性能相當；隨著熱加工溫度的提高，棒材的雜波水平提高。

Ti6242S合金；熱加工溫度；顯微組織；力學性能

0 引 言

Ti6242S合金是美國Timet公司在1974年研制成功的具有高蠕變抗力的高溫鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，最高使用溫度在550 ℃左右，主要用于航空發動機高壓壓氣機盤和葉片[1-3]。在國外，尤其是歐美國家，Ti6242S合金的應用非常成熟，已成功應用于F414、F119、TRENT800等先進的軍用和民用航空發動機上，是550 ℃以下壓氣機盤和葉片的首選鈦合金材料[4-8]。從公開發表的文獻[9-12]看，國內對Ti6242S合金的研究主要以熱處理對組織與性能關系研究居多，而對熱加工溫度對組織和性能的影響研究較少，尤其是對于葉片用小規格棒材。隨著我國航空工業的不斷發展，對高壓壓氣機葉片用的小規格棒材提出了更高的要求。因此，研制葉片用優質高溫鈦合金小規格棒材勢在必行。本研究采用三種熱加工溫度制備Ti6242S合金棒材，對比分析了溫度對棒材顯微組織、力學性能及探傷雜波水平的影響，旨在為工業化生產葉片用Ti6242S合金小規格棒材的工藝制定及優化提供依據。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料選用西部超導材料科技股份有限公司生產的優質Ti6242S合金鑄錠，其化學成分符合AMS 4975標準要求。用金相法測得該合金的α+β/β相變點為1 010～1 015 ℃。鑄錠經高溫開坯鍛造，得到規格為φ85 mm的精密鍛造用棒坯。棒坯的邊緣、1/2R處和心部的鍛態顯微組織如圖1所示，均為等軸組織。

圖1 φ85 mm Ti6242S合金棒坯的鍛態組織Fig.1 Microstructures of as-forged Ti6242S alloy

1.2 實驗方案

采用SXP-16精密鍛造機，分別以920、940、960 ℃三種不同的熱加工溫度將φ85 mm的Ti6242S合金棒坯精鍛成φ32 mm發動機葉片用小規格棒材。在三種棒材的1/2R處，沿軸向截取金相試樣和力學性能試樣。金相試樣尺寸為φ10 mm×10 mm，力學性能試樣尺寸為φ10 mm×72 mm。采用OLYMPUS PM-T3光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。力學性能試樣經980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC熱處理后，采用INSTRON5581型電子萬能材料試驗機進行室溫和高溫力學性能測試；采用RDW30100電子式持久蠕變機進行蠕變性能測試。再在室溫拉伸試樣上截取金相試樣，對熱處理態顯微組織進行觀察。最后采用水浸法對三種不同溫度下鍛造的φ32 mm小規格鈦合金棒材進行超聲波檢驗。

2 結果與分析

2.1 熱加工溫度對組織的影響

三種不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材的鍛態顯微組織如圖2所示。

圖2 不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材的顯微組織Fig.2 Microstructures of Ti6246S alloy bars forged at different temperatures

從圖2可以看出，三種不同溫度下鍛造的棒材顯微組織均為等軸組織，只是初生α相的含量和形狀略有不同。隨著鍛造溫度的提高，初生α相含量有所降低，扭曲狀α相減少，α相的等軸化程度提高。其原因是在較高的溫度下進行鍛造，儲存在變形合金內的畸變能較高，提高了α相的動態再結晶能力，促進了扭曲狀α相的再結晶球化；相反，當在較低的溫度進行鍛造時，在較大的變形量下，初生α相被壓扁拉長，而這時因溫度較低使得α相的再結晶球化能力降低，初生α相等軸化不足，見圖2a。

三種不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材的熱處理態顯微組織如圖3所示。對比圖2、圖3可以看出，經過熱處理后Ti6242S合金棒材顯微組織中α相的含量明顯降低，大約在20%左右;α相的等軸化程度明顯提高。這是由于經過熱處理后，部分初生α相溶解在β基體中，而且α相發生靜態再結晶，等軸化程度提高。整體而言，三種不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材，其鍛態組織雖然不同，但經過980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC熱處理后，顯微組織幾乎沒有差異。

圖3 不同鍛造溫度下鍛制的Ti6242S合金棒材熱處理后的顯微組織Fig.3 Microstructures of Ti6246S alloy bars forged at different hot working temperatures after heat treatment

2.2 熱加工溫度對力學性能的影響

三種不同溫度下鍛造的棒材經過980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC熱處理后，其室溫拉伸、高溫拉伸、蠕變性能和室溫缺口應力斷裂性能見表1。從表中可以看出，三種不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材，各項力學性能指標相當，全部滿足標準AMS 4975《固溶和沉淀熱處理Ti-6.0Al-2.0Sn-4.0Zr-2.0Mo-0.08Si鈦合金棒材、線材和環材》的要求，且各項指標的富余量較大。眾所周知，當合金的成分相同時，顯微組織在一定程度上決定了力學性能，結合圖3可以發現，三種不同溫度下鍛造的棒材，經過相同的熱處理制度處理后顯微組織差異較小，因此三種不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材的力學性能相當。

表1 不同鍛造溫度下制備的Ti6242S合金棒材熱處理后的力學性能Table 1 Mechanical properties of Ti6242S alloy bars produced by different hot working temperatures after heat treatment

2.3 熱加工溫度對探傷雜波水平的影響

對三種不同溫度下鍛造的Ti6242S合金棒材進行水浸超聲波探傷檢驗，實測的雜波水平如表2所示。從表2的探傷數據可以看出，隨著熱加工溫度的提高，棒材的探傷雜波水平提高。探傷雜波水平的高低在一定程度上反映了棒材組織的均勻性程度。結合圖2可以看出，精密鍛造溫度較低時，棒材顯微組織中扭曲狀α相相對較多，α相的等軸化程度略低，這在一定程度上引起了聲波的衰變，使得聲波穿過厚界面返回缺陷信號困難增加，從而導致棒材雜波水平降低。

表2 不同鍛造溫度下制備的Ti6242S合金棒材的雜波水平Table 2 Flaw detection level of Ti6242S alloy bars forged at different hot working temperatures

3 結 論

(1)分別經過920、940、960 ℃精密鍛造獲得的Ti6242S合金小規格棒材，其鍛態顯微組織隨著鍛造溫度的提高，α相的含量降低，扭曲狀α相減少，α相的等軸化程度提高。

(2)三種棒材經過980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC熱處理后，其顯微組織幾乎沒有差別，力學性能也相當。

(3)隨著鍛造溫度的提高，Ti6242S合金精鍛棒材的雜波水平提高。

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國內外新聞

Effect of Hot Working Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Ti6242S Small Bars

Lei Jinwen1, Ma Chi2, Zhang Xiaodong3, Sun Xiaoping1, Li Shaoqiang1, Lai Yunjin1

(1.Western Superconducting Technologies Co., Ltd.,Xi’an 710018,China)(2.AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 201108,China)(3.Shenyang Aircraft Industry Corporation,Shenyang 110034，China)

The Ti6242S titanium alloy bars were prepared by SXP-16 precision forging machine from diameter of 85 mm to 32 mm at temperature of 920 ℃,940 ℃ and 960 ℃.The effects of hot working temperature on microstructure, mechanical properties and flaw detection level of the Ti6242S titanium alloy bars were investigated. The result show that the volume fraction of the primaryαphase decreases with the increase of the hot working temperature, but the equiaxial level ofαphase is improved. The microstructures and mechanical properties of the bars have little change under the same heat treatment. The flaw detection level of Ti6242S titanium alloy bars raises with the increase of the hot working temperature.

Ti6242S alloy；hot working temperature；microstructure；mechanical properties

2014-10-12

國家國際科技合作專項(2013DFR50090)；陜西省

雷錦文(1982—)，男，工程師。

科技統籌創新工程計劃項目(2013KTLM-01)