李曉強(qiáng) 王周田 史棟剛 鄧 肯 張 昕

(1．中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000； 2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海200241)

Ti-6242合金的名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr- 2Mo，屬于Ti-Al-Mo系的近α高溫鈦合金，最高使用溫度可達(dá)550℃左右，國內(nèi)牌號(hào)為TA19[1]。其中Al、Sn、Zr等為α相穩(wěn)定性元素，加入合金中起到固溶強(qiáng)化作用；Mo為β相穩(wěn)定性元素，目的在于增強(qiáng)合金高低溫強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性[2]。該合金具有良好的高溫力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤環(huán)部件，是國內(nèi)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在550℃以下被首選的鈦合金之一[3-4]。

近年來，Ti-6242合金因國內(nèi)工程化應(yīng)用而被廣泛研究，李軍帥等人[5]利用Gleeble-3800對(duì)Ti-6242合金進(jìn)行了熱模擬壓縮試驗(yàn)，給出了該合金最佳變形溫度1000～1050℃，應(yīng)變速率0.1 s-1左右；雷錦文等人[6]通過研究加熱溫度對(duì)Ti-6242合金小規(guī)格棒材組織及性能的影響規(guī)律，使初生相含量降低，棒材的雜波水平提高；黃立軍等人[7]利用錘鍛和壓機(jī)鍛兩種方式試制了Ti-6242餅坯和盤形鍛件，凸顯了壓機(jī)鍛方式的先進(jìn)性。盡管從材料特性、棒材制備和鍛件研制等方面探索了Ti-6242合金熱成形規(guī)律，也試制了小規(guī)格或縮比件，使Ti-6242合金走出了實(shí)驗(yàn)室，邁入了工程化，但在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方面Ti-6242盤環(huán)鍛件質(zhì)量問題依然突出。本文將結(jié)合Ti-6242合金鍛件的實(shí)際生產(chǎn)情況，著眼于鍛件強(qiáng)度與組織、化學(xué)成分之間的關(guān)系，分析產(chǎn)業(yè)化層面強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的初生α相和元素含量的窄范圍，為企業(yè)生產(chǎn)Ti-6242合金盤形鍛件提供參數(shù)指導(dǎo)，以提升該合金產(chǎn)品質(zhì)量合格率和批次穩(wěn)定性。

1 研制材料及方法

1.1 研制材料

先后采購4批次?230 mm規(guī)格的單倍尺Ti-6242棒材。入廠復(fù)驗(yàn)結(jié)果表明：材料性能滿足鍛件要求使用的棒材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，棒材的原始組織屬于由白色顆粒的等軸α相和交錯(cuò)分布的細(xì)條轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w構(gòu)成的典型雙態(tài)組織。棒材晶粒經(jīng)過單相區(qū)大變形而破碎，經(jīng)兩相區(qū)多火次充分鐓拔而均勻，檢查頭尾橫截面的顯微組織，發(fā)現(xiàn)由表及里較為細(xì)密均勻。4批次Ti-6242棒材組織狀況對(duì)比而言，前3批次材料組織細(xì)密度不高，但比第4批材料組織的均勻程度高。

1.2 研制過程

棒材經(jīng)平頭倒角后加熱至相變點(diǎn)以下50～30℃，在16 MN快鍛機(jī)上進(jìn)行N火次單向鐓拔，加熱溫度要求由高至低逐步過渡，并且最后1火的加熱溫度為相變點(diǎn)以下40～30℃，從而獲得下一工序模鍛所用餅坯。對(duì)餅坯進(jìn)行檢測和必要加工后加熱至相變點(diǎn)以下40～30℃，以200 MN壓機(jī)作為主鍛設(shè)備，在既定模具型腔中緩慢壓制成形，按相變點(diǎn)以下15～25℃固溶+595℃時(shí)效進(jìn)行熱處理，水浸超聲檢測后從固定位置處切取試樣進(jìn)行組織和性能檢測。4批次鍛件經(jīng)完全相同的鍛造、熱處理、水浸無損檢測、取試檢測方法和順序進(jìn)行研制，且每批次中各解剖1件進(jìn)行全面性能評(píng)估，其余各件均帶有表征本體性能的試環(huán)。

表1 室溫拉伸性能Table 1 Tensile properties at room temperature

表2 480℃拉伸性能Table 2 Tensile properties at 480℃

表3 4批次棒材的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The main chemical compositions of four batches of bars(mass fraction,%)

1.3 研制方法

采用LS-200LP型號(hào)超聲檢測儀進(jìn)行水浸法超聲檢測，采用OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織捕獲并測定組織中初生α相含量，采用INSTRON 5887、INSTRON 0992型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和高溫拉伸性能測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

室溫拉伸性能檢測結(jié)果見表1，480℃拉伸性能檢測結(jié)果見表2。

3 分析討論

3.1 元素含量對(duì)合金鍛件高低溫強(qiáng)度的影響

鈦金屬本身強(qiáng)度不高，合金化元素的加入提高了強(qiáng)度，加之密度低、耐腐蝕、綜合性能優(yōu)異得以廣泛工程化應(yīng)用。強(qiáng)度指標(biāo)受合金化元素的影響較大，4批次棒材的主要化學(xué)成分見表3。

由表3可見，4批次原材料的化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，但前3批次棒料的化學(xué)元素成分更接近標(biāo)準(zhǔn)范圍的上線，即第4批次原材料在合金化程度上不高，具體差異體現(xiàn)在Al、Sn、Mo、O含量上，而恰恰這4種元素均有著不同程度的合金強(qiáng)化作用。對(duì)于Ti-6242合金而言，其中的Al元素屬于α相穩(wěn)定元素，能提高鈦合金的高溫力學(xué)性能，并且在鋁含量高于4%時(shí)，強(qiáng)度的提高值更為明顯，而第4批次棒料的Al元素含量較前3批次棒料低約0.10%，略微的差異將對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不小的影響；其中的Sn和Zr屬于中性元素，起強(qiáng)化作用，按照原子百分比含量，Sn比Zr的強(qiáng)化效果更大，因此第4批次棒材Sn元素含量偏低也是其鍛件整體強(qiáng)度下降的原因之一；其中Mo作為β同晶元素，固溶強(qiáng)化β相，起強(qiáng)化作用。在β同晶元素中，Mo是使β轉(zhuǎn)變溫度降低得最多的元素，所得組織的穩(wěn)定性好且不會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)而使合金在一定條件下變脆；其中第4批O含量降低約0.03%，而研究表明：加入0.05%的O，能使鈦的抗拉強(qiáng)度提高約6 MPa，并且根據(jù)氧含量的鋁當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式：%Al+13%Sn+ 16%Zr+10%O，氧對(duì)鋁當(dāng)量的貢獻(xiàn)值最大，即氧元素含量對(duì)強(qiáng)度影響顯著[8-9]。綜上所述，Al、Sn、Mo、O作為Ti-6242合金的主要合金化元素，對(duì)合金特性影響頗大，而第4批4種元素含量普遍降低，直接導(dǎo)致第4批盤形鍛件的整體強(qiáng)度下降。

3.2 初生α相含量對(duì)Ti-6242合金鍛件高低溫強(qiáng)度的影響

雖然組織決定性能，但組織中存在相的數(shù)量、形態(tài)、分布狀況等情況，性能又有強(qiáng)度、塑性、韌性、穩(wěn)定性等多種表征方式，兩者之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系復(fù)雜。朱雪峰等人[10]研究結(jié)果：隨著固溶溫度的升高，初生α相含量減少，使得β相中析出的細(xì)小次生α相增多，從而使室溫抗拉強(qiáng)度增大；王海等人[11]的研究結(jié)果：隨著固溶溫度的升高，等軸α尺寸及片層厚度的增加克服了條狀α增加對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作用，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度降低，并且固溶溫度更高時(shí)，條狀α尺寸的增加引起了抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低。由此可見，強(qiáng)度會(huì)隨著固溶溫度的升高先增大后減低，而固溶溫度直接影響著初生α相含量，即存在一個(gè)初生α相含量的合理化區(qū)間，對(duì)應(yīng)著強(qiáng)度指標(biāo)的峰值。下面在某標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，針對(duì)具體的Ti-6242合金盤件，尋求產(chǎn)業(yè)化的強(qiáng)度指標(biāo)與組織中初生α相含量之間的量化關(guān)系。解剖件顯微組織對(duì)比見表4，初生α相含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表4 解剖件顯微組織對(duì)比Table 4 The microstructures comparison of anatomical parts

表5 初生α含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 The statistical results of primary α phase contents

由表4和表5可知，第4批盤形鍛件高倍組織中不同方位的初生α相含量均較前3批低，并且達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求的下線值。根據(jù)相關(guān)研究，隨著固溶溫度的升高，等軸α相含量減少，α相之間的間距變大，變形過程中滑移長度變大，從而室溫拉伸強(qiáng)度降低[12-15]。四批次均采用同樣的鍛造工藝和熱處理工藝，但第4批次鍛件初生α相含量在5%～10%，本體全部為5%，高低溫拉伸性能普遍偏低，并且第4批次本體所帶試環(huán)(初生α相含量在5%)的高溫拉伸強(qiáng)度也比同批次常規(guī)件試環(huán)(初生α相含量在10%)的強(qiáng)度低。根據(jù)4批次鍛件本體及其相應(yīng)試環(huán)的強(qiáng)度與初生α相含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，第4批盤形鍛件高低溫強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求值跟初生α相含量過低密切相關(guān)，并且初生α相含量處于5%～10%之間，盤形鍛件很難達(dá)到某標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。

結(jié)合4批次生產(chǎn)情況及理化結(jié)果可知，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)Ti-6242合金鍛件中，如若對(duì)合金化元素含量和初生α相含量不加以嚴(yán)控，在這兩種影響因子疊加作用下，會(huì)導(dǎo)致批量化產(chǎn)品質(zhì)量無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在本次試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合歷次該合金其他外形鍛件的實(shí)際情況，為使該材質(zhì)鍛件各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)標(biāo)且有足夠富裕量，應(yīng)將初生α相含量調(diào)控在15%～25%為宜。

4 結(jié)論

(1)Ti-6242合金鍛件的高低溫強(qiáng)度值為其顯微組織中初生α相含量和Al、Sn、Mo、O具有合金強(qiáng)化作用的元素對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)值之和；

(2)要達(dá)到室溫抗拉強(qiáng)度≥895 MPa和屈服強(qiáng)度≥830 MPa，480℃抗拉強(qiáng)度≥620 MPa和屈服強(qiáng)度≥485 MPa的要求，并有一定富裕量，應(yīng)該控制鍛件的初生α相含量處于15%～25%之間，并且原材料的Al、Sn、Mo、O元素含量應(yīng)向技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限靠攏或處于上半?yún)^(qū)間。