TC16 鈦合金大規(guī)格環(huán)材的制備與性能研究

文／屠孝斌，段曉輝，宋蕊池，張雪敏，張文，張歡·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

TC16 是前蘇聯(lián)于上世紀(jì)六十年代開(kāi)發(fā)的一種高強(qiáng)鈦合金(對(duì)應(yīng)俄羅斯牌號(hào)為BT16)，屬于富β 相的馬氏體型α+β 兩相鈦合金，其名義成分Ti-3Al-5Mo-4.5V，相比常用的TC4 合金，該合金Mo 當(dāng)量較高，在退火后擁有更高的強(qiáng)度，同時(shí)兼?zhèn)淞己玫乃苄浴Ｔ摵辖穰?穩(wěn)定系數(shù)較高，為0.83，已接近1, 因此淬透性好，是制造鈦合金緊固件理想的材料之一，且對(duì)于缺口、偏斜、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力集中敏感性小，又具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，如熱變形性、焊接性、切削加工性和抗蝕性，可加工成棒材、型材、板材、鍛件等，廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、冶金、船舶、醫(yī)療、油田和汽車等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)對(duì)該合金的生產(chǎn)和加工工藝有一定的研究，如劉全明分析了固溶處理對(duì)TC16 鈦合金顯微組織和拉伸性能的影響，固溶溫度780±20℃，爐冷至550℃以下出爐，可得到相對(duì)穩(wěn)定的組織和性能；石建華系統(tǒng)性地研究了TC16 鈦合金熱處理對(duì)冷鐓變形行為的影響，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)熱處理調(diào)整材料組織以及優(yōu)化冷鐓工藝，從而大幅提高緊固件冷鐓成品合格率；張志強(qiáng)著重研究了不同冷卻速率對(duì)TC16鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，隨著冷卻速率的降低，TC16 鈦合金的屈服強(qiáng)度逐漸提高；彭新成通過(guò)有限元模擬技術(shù)分析了TC16 鈦合金棒材組織性能與冷鐓成形的關(guān)系，優(yōu)化了TC16 鈦合金棒材冷鐓工藝參數(shù)。但相比于俄羅斯來(lái)說(shuō)還不夠成熟，且鮮見(jiàn)對(duì)TC16 鈦合金環(huán)鍛件制備工藝及組織性能方面的研究。

本文對(duì)TC16 鈦合金環(huán)鍛件的成形、熱處理工藝及其力學(xué)性能做了初步的研究分析，采用自由鍛制坯+軋制成形制備TC16 大規(guī)格環(huán)材，研究熱處理工藝對(duì)其組織與性能的影響。結(jié)果表明：通過(guò)自由鍛反復(fù)鐓拔制坯后，再采用軋制成形得到的TC16 大規(guī)格環(huán)材組織細(xì)小均勻，經(jīng)835℃×2h.AC 處理后，可使環(huán)材具有良好的強(qiáng)塑性匹配；經(jīng)780℃×2h.AC+660℃×1.5h.爐冷至300℃出爐空冷后，可使環(huán)材達(dá)到更好的強(qiáng)韌性匹配。希冀此研究能為該合金環(huán)鍛件的工程化生產(chǎn)提供一些理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料

鑄錠由寶雞鈦業(yè)股份有限公司真空自耗電弧爐三次熔煉而成，錠型φ804mm，重量約5000kg，其化學(xué)成分如表1 所示。經(jīng)差熱法測(cè)定鑄錠的α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為865℃。

表1 實(shí)驗(yàn)用TC16 鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛造工藝

TC16 鈦合金環(huán)材的制造工藝流程為：鑄錠→開(kāi)坯鍛造→打磨→中間鍛造→打磨→棒坯→下料→倒角→沖孔→擴(kuò)孔→軋環(huán)→熱處理→機(jī)加→探傷→理化→檢查→入庫(kù)。鍛造主要分為以下三個(gè)階段：

⑴棒坯制備。

TC16 鈦合金合金化程度比較高，變形抗力大。為保證坯料的鍛透性，鑄錠在80/100MN(萬(wàn)噸)快鍛機(jī)上進(jìn)行開(kāi)坯鍛造和中間鍛造。先后在單相區(qū)和兩相區(qū)反復(fù)鐓拔變形，開(kāi)坯鍛造火次變形量在50%以上；中間鍛造每火次變形量在35%～65%之間，鍛造火次總變形量不小于90%，充分破碎鑄態(tài)晶粒，形成細(xì)小均勻的組織。這是保證整個(gè)環(huán)材組織均勻性和探傷性能的關(guān)鍵。同時(shí)，對(duì)鍛造過(guò)程每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保對(duì)整個(gè)鍛造過(guò)程有效控制，最終鍛成φ500mm 左右的棒坯。然后用帶鋸下料、車床倒角，制成規(guī)定尺寸的棒坯。

⑵環(huán)坯制備。

棒坯采用3150t 水壓機(jī)進(jìn)行沖孔和擴(kuò)孔工序，提前預(yù)熱工模具，采用沖頭兩面沖孔，沖頭直徑φ200mm，沖孔后內(nèi)孔無(wú)折疊和飛邊。擴(kuò)孔過(guò)程中嚴(yán)格控制壓下量和壓下速度，防止過(guò)熱和表面開(kāi)裂。經(jīng)多火次擴(kuò)孔至φ720mm/φ500mm×500mm的環(huán)坯，總變形量在50%以上，使組織進(jìn)一步細(xì)化，為環(huán)材最后軋制提供合適的環(huán)坯。

⑶環(huán)材軋制。

環(huán)坯采用D53K-3000A 軋環(huán)機(jī)進(jìn)行軋制，提前預(yù)熱工模具，坯料表面刷涂層，起到增加潤(rùn)滑性、減少溫降的作用。根據(jù)TC16 鈦合金加熱溫度較低、變形抗力較大的特點(diǎn)，選擇合適的軋制轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，將環(huán)材軋至要求尺寸φ1100mm/φ970mm×500mm，總變形量在60%以上。在軋制過(guò)程中使用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)控坯料表面溫度，加強(qiáng)鍛造過(guò)程控制，提高表面質(zhì)量，保證環(huán)材的最終組織和性能滿足要求。

熱處理工藝

為摸索出合適的熱處理制度，在環(huán)材高度方向上截取試樣環(huán)進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，熱處理在箱式電阻爐中進(jìn)行，熱處理制度見(jiàn)表2。

表2 TC16 鈦合金樣環(huán)熱處理制度

經(jīng)熱處理后，在樣環(huán)上取樣進(jìn)行顯微組織、室溫拉伸、室溫沖擊性能檢測(cè)。從中優(yōu)選出合適的熱處理制度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

熱處理制度對(duì)顯微組織的影響

圖1 為TC16 環(huán)材經(jīng)不同熱處理制度處理后的顯微組織。在780℃熱處理時(shí)，顯微組織由初生α 相和亞穩(wěn)態(tài)β 相構(gòu)成，初生α 相基本為球狀或短桿狀，含量約在50%左右，次生α 相非常細(xì)小彌散，呈點(diǎn)狀或細(xì)針狀(見(jiàn)圖1(a))。當(dāng)熱處理溫度提高到835℃時(shí)，可以看出大量初生α 相已固溶進(jìn)β 轉(zhuǎn)變基體中，初生α 相顆粒部分溶解，初生α 相含量明顯減少(15%左右)，次生α 相含量增加(見(jiàn)圖1(b))。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到880℃時(shí)，由于熱處理溫度超過(guò)了相轉(zhuǎn)變溫度，熱處理過(guò)程中α 相完全溶解，缺少了α 相對(duì)晶界的阻擋作用，晶粒開(kāi)始顯著長(zhǎng)大，并在隨后的冷卻過(guò)程中，在晶界上析出晶界α 相，在晶內(nèi)析出板條狀α 相，形成了魏氏組織(見(jiàn)圖1(c))。對(duì)比圖1 中a-c 可以看出，在相變點(diǎn)以下時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，初生α 相含量減少，初生α 相尺寸變小，次生α 相含量增加。當(dāng)熱處理溫度超過(guò)相變點(diǎn)時(shí)，α 相完全溶解，形成魏氏組織。

圖1 TC16 鈦合金環(huán)材不同熱處理制度后的顯微組織

在780℃熱處理后，再進(jìn)行低溫時(shí)效+爐冷處理，可得到穩(wěn)定的α+β 組織，與圖1(a)相比，初生α相變化不大，只是略微長(zhǎng)大，而亞穩(wěn)態(tài)β 相中的次生α 相片層明顯變厚(見(jiàn)圖1(d))。可以看出，低溫時(shí)效+爐冷處理主要影響次生α 相的含量和尺寸，對(duì)初生α 相影響不大。

熱處理制度對(duì)拉伸性能的影響

表3 是經(jīng)過(guò)不同的熱處理制度后，TC16 鈦合金環(huán)材的室溫拉伸性能結(jié)果。

表3 不同熱處理制度下TC16 鈦合金環(huán)材室溫拉伸性能

圖2 是經(jīng)過(guò)不同的熱處理制度后，TC16 鈦合金環(huán)材的室溫拉伸性能變化趨勢(shì)。

圖2 熱處理制度對(duì)TC16 鈦合金環(huán)材室溫拉伸性能的影響

TC16鈦合金環(huán)材的抗拉強(qiáng)度為878MPa～1161MPa，屈服強(qiáng)度為815MPa～995MPa，斷后伸長(zhǎng)率為8.5%～19%，斷面收縮率為24%～66%，熱處理制度對(duì)性能的影響較大。由圖2 可以看出，當(dāng)熱處理溫度低于相變點(diǎn)時(shí)，隨著溫度的升高，抗拉強(qiáng)度升高，塑性降低。當(dāng)熱處理溫度超過(guò)相變點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)度和塑性均出現(xiàn)明顯下降。這是因?yàn)殡S著熱處理溫度的升高，初生α 相含量減少，析出了大量細(xì)小的α"相馬氏體，而彌散的α"相周圍產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高了抗拉強(qiáng)度，塑性下降。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到880℃時(shí)，超過(guò)了相變點(diǎn)，初生α 相完全消失，形成粗大的魏氏組織，次生α 相片層明顯變厚，相界面減少，對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用下降，從而使強(qiáng)度下降。組織粗大、界面平直也導(dǎo)致了塑性惡化。在780℃熱處理后，再進(jìn)行660℃低溫時(shí)效+爐冷處理，使780℃熱處理后組織中的彌散質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生較大程度的長(zhǎng)大和聚集，減弱了彌散強(qiáng)化的作用，從而降低了強(qiáng)度，提高了塑性。

熱處理制度對(duì)沖擊性能的影響

TC16 環(huán)材經(jīng)不同熱處理制度處理后的沖擊值見(jiàn)表4 和圖3。TC16 環(huán)材V 型開(kāi)口沖擊值25J ～68J，由圖3 可見(jiàn)，當(dāng)熱處理溫度從780℃提高到830℃時(shí)，沖擊值下降，主要是因?yàn)槌跎?相尺寸減小，含量降低，而α 相相對(duì)較軟，對(duì)裂紋擴(kuò)展有較好的阻礙作用。當(dāng)熱處理溫度超過(guò)相變點(diǎn)時(shí)，形成了魏氏組織，一方面由于α 相片層較厚，能延緩裂紋擴(kuò)展，另一方面，粗大的α 相集束方向一致性高，裂紋容易沿著α 相集束的方向發(fā)展，因此，最終表現(xiàn)為沖擊性能變化不大。在780℃熱處理后，再進(jìn)行660℃低溫時(shí)效+爐冷處理，會(huì)使次生的針狀α 相明顯長(zhǎng)大，次生的針狀α 相又呈編織狀，對(duì)裂紋的延伸有很好的阻礙作用，顯著地提高了材料的沖擊性能。

圖3 熱處理制度對(duì)TC16 鈦合金環(huán)材沖擊性能的影響

表4 不同熱處理制度下TC16 環(huán)材的沖擊性能

結(jié)論

⑴采用鐓拔+擴(kuò)孔+軋環(huán)方式生產(chǎn)TC16 大規(guī)格環(huán)材的工藝路線是可行的，其組織均勻性良好。

⑵熱處理制度對(duì)TC16 環(huán)材的組織和性能影響較大，經(jīng)835℃×2h.AC 處理可使材料擁有最好的抗拉強(qiáng)度和較好的塑性，而780℃×2h.AC+660℃×1.5h.爐冷至300℃出爐空冷處理可使TC16 環(huán)材達(dá)到更好的強(qiáng)韌性匹配。