β退火對Ti-6Al-4V ELI民用飛機大型模鍛件組織和性能的影響

黃立軍　高　蕾　羅恒軍　曾　菁　莫安軍

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618000)

?

試驗研究

β退火對Ti-6Al-4V ELI民用飛機大型模鍛件組織和性能的影響

黃立軍高蕾羅恒軍曾菁莫安軍

(中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責任公司，四川618000)

摘要：采用Ti-6Al-4V ELI大規格棒料，經多次制坯、多次鍛造試制了某民用飛機用大型接頭模鍛件。該鍛件經β退火得到了均一的魏氏組織，晶內片層組織較細小，力學性能較好。

關鍵詞：Ti-6Al-4V ELI；大型模鍛件；β退火；組織；力學性能

鈦合金因其比強度高、耐熱、耐低溫、抗腐蝕性能好、導熱系數小、無磁性、超導性能、記憶性能、貯氫性能等優點，被稱為繼鋼鐵、鋁之后的21世紀最有發展前景的第三金屬[1]。

Ti-6A1-4V(TC4)合金作為世界第一個實用性鈦合金，自1954年被美國研制成功以來，經過半個世紀的發展，現在已經成為鈦合金中使用最廣泛、最成熟的兩相合金，其合金用量占鈦材用量的80%[2]?，F代飛機設計中，為了實現減輕質量、提高性能和節約成本等目的，在滿足安全使用的前提下，引入了“損傷容限”的設計[3]。Ti-6Al-4V ELI即損傷容限型的Ti-6Al-4V，該材質在美國已廣泛應用于軍用和民用飛機，國內類似牌號TC4-DT，后者是我國在“十五”期間由西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院研制，具有完全自主知識產權，其化學成分、力學性能與Ti-6Al-4V ELI相當[3-5]。

目前，Ti-6Al-4V ELI(TC4-DT)在我國軍用航空領域上應用較多，在民用航空領域尤其是大型鍛件上的應用少見報道。本文從工廠實際應用的角度出發，以某型民用飛機用大型接頭模鍛件(簡稱鍛件)為試制對象，該鍛件輪廓尺寸3 065 mm×525 mm×228 mm，截面形狀較復雜，有效厚度達165 mm，研究了β退火對其組織和性能的影響。

1試驗材料及方法

1.1試驗材料

原材料采用西部超導公司按美標生產的?450 mm大規格棒料，該棒料經過三次VAR同時經開坯、墩拔、加工后得到，其化學成分以及相變點見表1。

表1　TI-6AL-4V ELI棒材化學成分(質量分數，%)及相變點Table 1　Chemical composition of Ti-6Al-4V ELI bar(mass fraction,%)and its phase transformation point

棒料的原始組織如圖1所示，為典型的雙態組織，分布有大小不一的等軸α相，并伴有部分拉長α相，從棒料邊緣到棒材中心，α相含量由約60%逐漸增多至約80%，總體較均勻。

1.2試驗過程

(a)棒料邊緣　　　　　　(b)棒料1/2半徑　　　　　　　(c)棒料中心

圖2　TI-6AL-4V ELI鍛件Figure 2　Ti-6Al-4V ELI forging

表2　TI-6AL-4V ELI鍛件熱處理制度Table 2　The heat treatment process of Ti-6Al-4V ELI forging

棒料經鋸床下料、自由錘鍛多次制坯、模鍛壓機多次鍛造得到最終鍛件(見圖2)，隨后采用箱式電阻爐對鍛件進行β退火(熱處理制度見表2)，最后切取鍛件進行組織和性能檢驗。

1.3試驗方法

氫含量測試在RH600定氫分析儀上進行。采用?6 mm的試樣，在INSTRON 8802、MTS CMT5305型材料拉伸試驗機上進行拉伸性能試驗。斷裂韌性試驗在INSTRON 8803材料試驗機上進行。用DMI5000M Leica光學顯微鏡觀察顯微組織，金相腐蝕劑：5%HF+12%HNO3+83%H2O。

2試驗結果與討論

2.1氫含量檢測

經測試氫含量為0.002 9%。一般認為，鈦中的氫含量絕對不允許高于0.012 5%～0.015%，因為高于這個含量就會析出氫化物，并出現明顯的氫脆現象[6]?？梢钥闯?，鍛件經β退火后，鍛件表層氫含量未出現超標現象。

2.2低倍組織

圖3為鍛件橫截面宏觀低倍組織照片?？梢钥闯觯麄€截面組織均勻，呈現出明顯的清晰晶，無冶金缺陷、偏析，為β退火后的宏觀典型特征。

2.3顯微組織

圖3　TI-6AL-4V ELI鍛件低倍組織Figure 3　Macrostructures of Ti-6Al-4V ELI forging

圖4　TI-6AL-4V ELI鍛件顯微組織(200×)Figure 4　Microstructures of Ti-6Al-4V ELI bar(200×)

表3　TI-6AL-4V ELI鍛件室溫拉伸以及斷裂韌性Table 3　The room temperature tensile property and fracture roughness property of Ti-6Al-4V ELI forging

圖4為取自鍛件橫截面1/2厚度處試樣的顯微組織?？梢钥闯觯c原材料典型的雙態組織(圖1)相比，鍛件經β退火后得到無初生α相的魏氏組織且整體較細。在β單相區固溶時α相溶入β相中，在隨后的風冷過程中，α相在晶內和晶界呈片狀或針狀析出，再經普通退火后，魏氏組織趨于穩定化。

2.4拉伸以及斷裂韌性

鍛件室溫拉伸和斷裂韌性試樣測試結果見表3。該結果與祝力偉等[7]在實驗室條件下得到的結果相當。

2.5 討論

通過以上結果可以看出，在TI-6AL-4V ELI大規格棒料總體組織較均勻的情況下，經制坯、改鍛后得到的大型鍛件有利于組織和性能的進一步優化[8]，再經β退火+普通退火后鍛件發生了均一的轉變，得到了典型的魏氏組織，且晶內片層較為細小，拉伸和斷裂韌性結果較好。另經高溫處理，鍛件表面的有害元素氫含量也未見顯著增加。所有理化檢測結果均滿足該鍛件的客戶標準要求。

3結論

(1)大型鍛件試制時，選用較均勻的大規格棒料，再經多次制坯、改鍛，有利于鍛件組織和性能的優化。

(2)鍛件經β退火得到了均一的魏氏組織，且組織較為細小、力學性能較好。

參考文獻

[1]黃曉艷，劉波，李雪.鈦合金在軍事上的應用[J].輕金屬，2005(9):51-53.

[2]曹春曉.我國航空用鈦工業面臨的21世紀的挑戰[J].鈦工業進展，1999(5):1-5.

[3]葉紅川，王彥皓，張雪華，曲恒磊.beta相區熱處理對TI-6AL-4V ELI合金板材組織和性能的影響[J].材料熱處理技術，2011，40(16):179-181.

[4]史小云，高玉社，王文盛.熱處理對TI-6AL-4V ELI鈦合金棒材組織和力學性能的影響[J].熱加工工藝，2013，42(14):163-165.

[5]李晶.曹春曉：大型飛機的選材問題[J].新材料產業，2007(10)：9-13.

[6]王金友，葛志明，周邦彥.航空鈦合金的應用[M].上?？茖W技術出版社，1985:6.

[7]祝力偉，王新南，朱知壽.不同熱處理工藝下TI-6AL-4V ELI鈦合金的顯微組織及力學性能[J].鈦工業進展，2012，29(1):9-12.

[8]童路，朱知壽，俞漢清，王之錄.TI-6AL-4V ELI鈦合金自由鍛件組織與性能的影響因素[J].中國有色金屬學報，2010，20(1):87-90.

編輯杜青泉

Influence of β Annealing Heat Treatment on Microstructures and Properties of Ti-6Al-4V ELI Large Die Forging for Civil Aircraft

Huang Lijun,Gao Lei,Luo Hengjun,Zeng Jing,Mo An'jun

Abstract：By using Ti-6Al-4V ELI large size bar,a large joint die forging for civil aircraft has been trial-manufactured by means of multiple blanking and forging.By adopting β annealing heat treatment process,a uniform widmanstatten microstructure has been obtained in this forging as well as the finer lamellar microstructure in the crystal and the better mechanical properties.

Key words：Ti-6Al-4V ELI;large die forging;β annealing;microstructure;mechanical property

收稿日期：2016—02—25

作者簡介：黃立軍(1983—)，碩士，工程師，從事航空鍛件熱處理工藝研究等。電話：15196374808，E-mail：huanglijun@china-erzhong.com

基金項目：中國工信部重大專項項目(2012ZX04010-081)

中圖分類號：TF804.3

文獻標志碼：A