Al含量對β鍛造TC25鈦合金環形鍛件力學性能的影響

文／楊家典，羅鴻飛，王清，胡元偉，邊紅巖，盧熠·貴州航宇科技發展股份有限公司

本文介紹TC25不同Al含量原材料對環形鍛件β鍛造的力學性能影響研究，采用同一原材料廠商不同Al含量原材料通過相同的鍛造和熱處理工藝，解剖試驗鍛件研究不同Al含量原材料與β鍛造環形鍛件力學性能的關系。從而掌握此材料特性，積累數據，提出對原材料的管理和控制，完善標準，提高鍛件的力學性能。

TC25鈦合金屬于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系的變形馬氏體型α+β兩相鈦合金。合金中含有鉬、鎢等高熔點的元素，熱強性、耐熱性很好。TC25是我國自主研制的材料，由于這種材料的室溫性能、高溫強度、蠕變性能、熱穩定性、疲勞性能和斷裂韌性等匹配較好，各項性能優良，因此主要用于航空發動機上高壓壓氣機盤件、機匣類等重要零件。

TC25較其他鈦合金的突出優點是工作使用溫度達500～550℃，在500℃以下工作時間達6000h，在550℃以下工作時間達3000h，是發動機的首選的材料之一。因此此材料鍛件對性能的要求比航空發動機上其他α+β兩相鈦合金材料高。

TC25鍛件一般要求β鍛造并按β鍛造指標驗收的鍛件為模鍛件，因為采用模具整體悶模成形便于控制溫度的變化。目前也有要求環形鍛件按β鍛造工藝進行環軋并按β鍛造指標驗收的產品，但之前研究較少，在試驗生產過程中，由于化學成分的波動導致相同鍛造和熱處理工藝生產的試驗鍛件出現力學性能沒有富余并不滿足要求的情況。本文主要闡述通過不同Al含量原材料對環形鍛件β鍛造的力學性能影響的研究，優化化學成分方案，提高鍛件力學性能。

β鍛環形鍛件的化學成分及力學性能指標

TC25的化學成分及力學性能指標如表1、表2所示。

試驗方案

試驗原材料為同一廠商提供，其Al元素含量分別為6.4%、6.8%、7.2%，其他元素差異較小。鍛造及熱處理生產工藝方案如表3所示。

表1 化學成分（wt.%）

表2 力學性能

表3 鍛造機熱處理工藝方案

試驗結果及分析

⑴低高倍組織。

三組方案經過鍛造及熱處理后低高倍組織非常接近，500倍的高倍組織也很接近，1000倍的高倍組織觀察到Al含量高時片狀α(α2)相對粗化，但均能滿足標準的要求，任取一組的組織照片如圖1、圖2所示。

⑵力學性能。

圖1 低高倍圖片

圖2 不同Al含量的高倍圖片

力學性能檢測結果如表4所示。

⑶試驗結果分析。

從上面的力學性能數據可以看出，室溫拉伸和熱穩定延伸率及斷面收縮率出現不滿足標準要求的情況，經過熱穩定處理后，相對室溫拉伸熱穩定性能呈下降的趨勢，并且隨著Al含量的增加，室溫拉伸和熱穩定延伸率及斷面收縮率也呈逐漸下降的趨勢。

表4 力學性能檢測結果

從高倍組織可知大部分視場得到網籃組織，但同時存在局部的等軸組織，組織為β轉+條狀α(α1)+等軸α(α1)+片狀α(α2)。環形鍛件經過β鍛造及熱處理后會得到網籃組織+等軸組織，網籃組織是在等軸組織基礎上降低塑性而提高強度和斷裂韌性，所有上述力學性能數據會存在一定的波動。

結論

通過三種不同Al元素含量的試驗件生產，可知隨著Al含量的增加，室溫拉伸和熱穩定延伸率及斷面收縮率也呈逐漸下降的趨勢。Al元素屬于α相的穩定元素，鍛造、熱處理和冷卻過程促進β相向α1及α2相轉變，而α2相脆性趨向大，α2相含量多拉伸過程容易脆斷造成延伸率及斷面收縮率低。結合上述檢測的力學性能數據，若生產β鍛軋制并按β鍛指標驗收的環形鍛件需將Al元素含量控制在6.2%～6.9%為宜。