Ti-74合金棒材鍛造工藝及熱處理工藝研究

文／李瑞鋒，李海鋒，馬宏剛，都海剛，李巍，何書林·寶雞鈦業股份有限公司

Ti-74合金棒材鍛造工藝及熱處理工藝研究

文／李瑞鋒，李海鋒，馬宏剛，都海剛，李巍，何書林·寶雞鈦業股份有限公司

研究了Ti-74合金φ100mm棒材的鍛造工藝及經不同的熱處理工藝處理后，其顯微組織和室溫性能，從而確定鍛造及熱處理工藝。結果表明：常規的兩相合金鍛造工藝可以獲得均勻的兩相區加工組織；較低溫度的雙重等溫退火對Ti-74合金的強度提高作用不大；較高溫度的雙重退火可以提高合金的強度；900℃/1h·AC+ 650℃/6h·AC的熱處理制度能夠得到相對較好的強塑性匹配，組織為初生α+β相與次生α相。

鈦及鈦合金具有高強度、低密度和優異的抗腐蝕性能，在許多領域的應用極具吸引力。隨著我國航空航天領域的不斷發展，對合金耐熱性能的要求也日益提高。Ti-74合金屬于α+β型的兩相合金，其名義成分為Ti-7Al-4Mo，國外對該合金的研究較多。該合金主要特點是在480℃的工作條件下，材料可以滿足相應的強度。為了滿足市場對該產品的需求，本文通過對該合金的研究，探究了Ti-74合金的鍛造特性，同時研究熱處理制度對Ti-74合金的組織及其性能的影響規律，以期對實際生產提供參考依據。

實驗方法

實驗材料

本實驗所用材料為寶雞鈦業股份有限公司生產的經三次真空熔煉的規格為φ696mm的鑄錠，其化學成分如表1所示。經測定，該鑄錠的相變點為1028℃。

表1 實驗用Ti-74合金錠的化學成分（Wt.%）

實驗方法

Ti-74合金與TC11合金的化學成分及合金化程度相近，故本實驗用鍛造工藝以TC11的鍛造工藝為參考，將鑄錠在單相區開坯，并對鑄錠進行鐓拔，在兩相區進行中間鍛造，在精鍛機上進行成品鍛造，成品規格為φ100mm規格的棒材，棒材的鍛態組織如圖1所示。根據客戶在實際生產中對該棒材性能的要求，本次實驗設計了6種不同的熱處理制度，具體熱處理制度如表2所示。本試驗顯微組織在Axiovert 200MAT光學顯微鏡上觀測，力學性能在Instron 5885拉伸試驗機上進行，探傷在USD 15S探傷設備上進行水浸探傷。

結果與分析

鈦合金的α+β鍛造通常是指在β轉變溫度以下30～100℃的α+β兩相區內進行變形，也叫常規變形。常規鍛造過程中，初生α相和β相都同時參與變形，獲得典型的等軸α組織。α+β鍛造時，隨著變形量的逐漸增加，原始β晶粒逐漸被壓扁和破碎，沿金屬變形流動方向拉長，片狀α發生扭曲、碎化并沿變形方向排列。由Ti-74合金的棒材熱態顯微組織(圖1)可以看出：該棒材為兩相區加工組織，未見原始β晶粒，說明棒材在單相區的變形比較充分，且最終在兩相區加工，獲得的兩相區組織均勻細小，經探傷后，該棒材探傷水平達到AMS2631的A1級，這說明實驗所制定的工藝適合生產Ti-74合金棒材。

圖1 Ti-74合金φ100mm棒材熱態組織

表2 Ti-74合金φ100mm棒材熱處理工藝

顯微組織分析

將棒材切成20mm厚的樣片，在同一精度的熱處理爐中進行了上述表2中的6種熱處理制度后，加工成高倍和拉伸試樣后進行試樣檢測。Ti-74合金不同熱處理后橫向顯微組織分別如圖2、圖3所示。

圖2 Ti-74合金不同熱處理后橫向顯微組織(200×)

圖3 Ti-74合金不同熱處理后橫向顯微組織(500×)

由圖2和圖3的顯微組織可以看出：棒材經熱處理后基本為等軸的兩相區組織，局部存在部分拉長的晶粒。經a和b熱處理工藝處理后，該合金的組織與棒材熱態組織差異不大。經c和d的熱處理工藝處理后，基本呈現等軸的α和轉變的β組織，且隨著第二級熱處理時間的延長，合金顯微組織差異不大。提高第一級熱處理溫度，棒材的顯微組織逐漸發生變化，等軸的α和轉變的β組織在第二級熱處理過程中部分過飽和組織轉變為次生α相，這些次生α相均呈針狀，如e熱處理工藝對應的顯微組織所示。當降低第一級熱處理溫度，降至相變點以下約130℃，將第二級熱處理溫度提高至650℃時，該制度所對應的顯微組織與上述5種組織存在很大差異。f熱處理工藝降低了第一級加熱溫度，提高了第二級溫度，可以看到原a～e的熱處理后的轉變的β組織變成了大量的次生α相，且這些α相呈片層狀。這表明：在雙重退火過程中，第一級的溫度及時間是足夠的，而第二級過飽和的組織轉變的溫度太低，發生次生α相的析出不是很充分。初生α相的形貌決定了合金的塑性，而時效處理中殘余β相轉變生成的次生α相及尺寸決定了合金的強度。

表3 Ti-74合金φ100mm棒材不同熱處理后的性能

性能分析

6種不同的熱處理制度對應的室溫拉伸性能如表3所示。

由表3數據可以看出：對于a和b的較低溫度的兩次等溫退火后，Ti-74合金的室溫拉伸強度隨著溫度的提高有所增長，但塑性有所降低，這與一般的熱處理后的金屬的室溫性能變化規律相同。在相變點以下60～80℃進行雙重退火后，如c～e，其強度和塑性基本保持相同，第二級退火時間的延長對合金的力學性能影響很小。當在相變點以下130℃進行第一重退火，在650℃時進行第二重退火時，合金的抗拉強度與在相變點以下60～80℃相比，基本沒有變化，但屈服強度較之前提高約30MPa，這與前面提到的組織的對應關系是一致的。隨著第二重溫度的提高，過飽和的組織開始轉變。第一重溫度加熱冷卻過程中得到的過飽和組織在低溫時效時，這種過飽和的組織逐漸析出次生α相，而初生α相的形態及含量沒有明顯的變化。次生α相的形貌及含量決定了其屈服強度的高低。對比c～f熱處理后的性能不難發現：第一重加熱溫度的升高和降低(由900℃升至970℃)對Ti-74合金的抗拉強度影響不大，時效溫度的升高(由530℃升至650℃)對合金的屈服強度影響較大。

結論

通過對Ti-74合金的鍛造過程及熱處理工藝的研究，得出以下結論：

⑴常規的兩相合金鍛造工藝對于Ti-74合金的鍛造過程是適用的，可以獲得均勻的兩相區加工組織；

⑵較低溫度的雙重等溫退火對Ti-74合金的強度提高作用不大；較高溫度的雙重退火可以提高合金的強度；

⑶900℃/1h·AC+ 650℃/6h·AC的熱處理制度能夠得到相對較好的強塑性匹配，組織為初生α+β相+次生α相。