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热加工工艺对叶片用TC4钛合金棒材组织与性能的影响

发布时间:2023-06-12 18:02:13 浏览次数 :

TC4钛合金具有高比强度、较宽的工作温度范围和优异的耐腐蚀性能,是制造航空发动机压气机盘、叶片等 的首选材料之一[1]。航空发动机叶片的工作条件极为复杂和苛刻,需承受巨大的气动应力、离心应力和温 度负荷作用[2],因而对叶片用钛合金棒材的显微组织和力学性能提出了很高的要求,如GJB494A-2008《航空发动机压气机叶片用钛合金棒材规范》要求叶片用TC4钛合金棒材的初生α相含量不低于25%。

钛合金棒

超声波探伤 检验是航空航天领域钛合金原材料验收的基本要求,部分原材料订货标准中对探伤的要求也十分苛刻,如 GJB494A-2008要求转子叶片用棒材探伤杂波水平不大于0.8mm-12dB。国内学者对钛合金显微组织与超声探 伤杂波的对应关系进行了研究[3-7],发现探伤杂波的高低不仅与组织中α相和β相的含量及尺寸大小有关 ,还与组织的均匀性、织构等密切相关。因此,在钛合金研制和生产过程中,除组织和常规性能外,对超声 探伤杂波水平也应重点关注。

目前,国内制造叶片用TC4钛合金棒材的热加工工艺主要有精锻和轧制,但对2种加工方式下TC4钛合金棒材 组织和性能(包括超声探伤杂波)的综合对比研究较少。为此,对比分析了精锻和轧制2种加工方式下叶片用 TC4钛合金棒材的组织与性能,并研究了精锻温度和变形量对棒材组织与性能的影响,以期为优化热加工工 艺,制备满足GJB494A-2008要求的叶片用TC4钛合金棒材提供参考。

1、实验

1.1实验材料

实验材料为经3次真空自耗电弧熔炼(VAR)+多火次墩拔锻造制备的φ95mmTC4钛合金棒坯。棒坯β相转变温 度为995℃,化学成分如表1所示。棒坯横向组织由初生等轴α相和β转变组织组成,为典型的双态组织,初 生等轴α相含量超过65%,如图1所示。

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1.2方法与设备

将φ95mmTC4钛合金棒坯切割成等长度的棒料,按照表2方案进行锻造试验:①在940℃分别进行两火精锻、一 火精锻+一火轧制和两火轧制,得到规格为φ30mm的成品TC4钛合金棒材(中间道次规格均为φ55mm);②分 别在920、960℃进行两火精锻试验,得到规格为φ30mm的成品TC4钛合金棒材;③分别在920、940、960℃进 行一火精锻试验,得到规格分别为φ50、φ65mm的成品TC4钛合金棒材。

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沿成品TC4钛合金棒材横向R/2处 切取金相试样和力学性能试样。金相试样经磨抛后用腐蚀剂(HF、HNO3、HH2O体积比为1∶3∶6)浸蚀,采用 蔡司AxioVert Al倒立式显微镜观察显微组织,利用Image-proplus5.0图像软件分析初生α相含量,每个试 样至少观察5个视场,取平均值。力学性能试样经800℃/1.5h/AC退火后,采用ZwickZ 330试验机进行室温拉 伸性能测试,采用ZwickZ 100试验机进行高温拉伸性能测试,采用ZwickRMT-D10(100kN)试验机 进行高温持久性能和蠕变性能测试。采用USPC7100型探伤仪进行水浸超声探伤检验,探头为ISS/G/C10 MHZ,φ0.8mm平底孔。

2、结果与分析

2.1精锻和轧制棒材的组织与性能对比

图2是在940℃分别进行两火精锻、一火精锻+一火轧制和两火轧制后得到的φ30mmTC4钛合金棒材的横、纵 向显微组织。从图2可以看出,棒材均为典型的双态组织,但不同加工方式获得的棒材α相含量、形态、尺 寸及分布存在一定差异。两火精锻棒材的初生α相含量约为65%,纵向α相拉长明显,精锻+轧制和两火轧 制棒材的初生α相含量较低,分别约为55%和45%,但纵向等轴性更好。这是因为在相同的加热温度下,精 锻棒材较轧制棒材变形时间长,锻造过程中发生了明显的温降,而轧制棒材变形时间短、温升明显,实际变 形温度高于精锻棒材,导致轧制棒材纵向初生α相的等轴化程度更高。此外,精锻棒材的次生α相多呈碎点 状或扭曲的条状分布,而轧制棒材的次生α相多呈平直的长条状分布,这是由2种加工方式的特点决定的。 精锻变形道次间的持续时间长,两道次变形间隙会析出少量的次生α相,次生α相在下一道次的锻造过程中 会发生破碎,进而多呈碎点状或扭曲的条状分布,如图2a、2d所示。而轧制变形速度快,组织中的次生α 相主要是在轧制变形结束后,在冷却过程中从β晶界、α/β相界或β晶粒内高能缺陷处形成的,且多呈平 直的集束状分布,如图2B、2e所示。与精锻+轧制工艺相比,两火轧制工艺的温升更为明显,导致成品组 织中初生等轴α相的含量较精锻+轧制工艺更少,但次生α相的厚度更大,如图2c、2f所示。

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两火精锻、 一火精锻+一火轧制和两火轧制的φ30mmTC4钛合金棒材经800℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸、高温拉伸、高 温持久和蠕变性能见表3。从表3可以看出,在相同热处理条件下,精锻和轧制棒材的室温拉伸塑性、高温持 久和蠕变性能差异较小,但精锻棒材的室温强度和高温强度明显高于轧制棒材。这是因为精锻棒材的初生α 相含量略高于轧制棒材,且次生α相多呈碎点状或扭曲的条状分布,晶粒细小,阻碍了位错运动,起到了细 晶强化的作用。

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表4是在940℃分别进行两火精锻、一火精锻+一火轧制、两火轧制后得到的φ30mmTC4钛合 金棒材的超声探伤杂波水平。 从表4可以看出,两火精锻棒材的探伤杂波水平为φ0.8mm-(9~12)dB,精锻+轧制、两火轧制棒材的探伤杂 波水平均为φ0.8mm-(12~16)dB,小于两火精锻棒材。这是因为轧制棒材初生α相含量低,次生α相的集束 尺寸增加,相界面取向差减小,组织更加均匀,故探伤杂波水平低。从图2也可以看出,精锻棒材的等轴α 相分布不均匀,存在α相聚集现象,导致超声波信号散射加剧,探伤杂波水平高于轧制棒材。

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从以上组织、 性能和超声探伤杂波水平的分析可知,精锻和轧制方式制备的棒材各有特点,除超声探伤杂波水平稍高外, 精锻棒材的室温强度和高温强度优势明显。因此,为进一步提高TC4钛合金精锻棒材的组织与性能匹配,开 展了精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材组织与性能的影响研究。

2.2精锻温度和变形量对组织与性能的影响

图3是按照表2精锻方案,在不同温度下精锻得到的φ30、φ50、φ65mmTC4钛合金棒材的显微组织。从图3可 以看出,随着精锻温度的升高,棒材初生α相含量从920℃精锻时的约80%降低到940℃精锻时的约65%,当 精锻温度继续提高到960℃时初生α相含量不足50%,但碎点状或扭曲的条状α相含量逐渐增多。这是因为 精锻温度的升高加剧了初生α相转变[8],使锻造过程中形成的碎点状或扭曲的次生α相更多。从图3还可以 看出,对于相同规格的TC4钛合金棒材,精锻温度越高,初生α相的分布越均匀。相同变形温度下,精锻变 形量越大,棒材组织越细小,α相发生扭曲和聚集的不均匀现象也更为明显。

图4是在不同温度下精锻得到 的不同规格TC4钛合金棒材经800℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸和高温拉伸性能。从图4a、4c可以看出,精锻温度越低、变形量越大,棒材的室温拉伸和高温拉伸强 度也越高,这与组织中初生α相和次生α相的含量和形态有关。经920℃精锻后的φ30mm棒材,初生α相含 量高,次生α相破碎明显且多呈碎点状分布,其室温拉伸和高温拉伸强度最高。随着精锻温度的升高,初生 等轴α相的含量逐渐减少,呈碎点状或扭曲条状的次生α相含量逐渐提高,但在800℃/1.5h/AC退火条件下 ,次生α相的形貌并未发生明显变化,因此影响棒材室温拉伸和高温拉伸强度的主要因素还是初生等轴α相 的含量。在相同的精锻温度下,精锻变形量越大,晶粒尺寸越小, 棒材累积的位错密度越高,对应的强度也越高。此外,精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材的塑性影响并不 明显,如图4B所示。

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表5是在不同温度下精锻得到的不同规格TC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平。从表5可 以看出,920~960℃精锻的φ30mmTC4钛合金棒材的探伤杂波水平为φ0.8mm-(9~12)dB,φ50mm棒材的探伤 杂波水平为φ0.8mm-(12~16)dB,可见相同精锻温度下φ50mm棒材的探伤杂波水平低于φ30mm棒材。920℃ 精锻的φ65mmTC4钛合金棒材探伤杂波水平为φ0.8mm-(12~16)dB,但当精锻温度提高到940℃和960℃时, 探伤杂波水平都降低到φ0.8mm-(16~20)dB,说明相同规格的TC4钛合金棒材,随着精锻温度的提高,探伤 杂波水平逐渐降低,而精锻温度一定时,变形量越大,TC4钛合金棒材的探伤杂波水平越高。这是因为超声 波探伤杂波的变化与TC4钛合金棒材组织中初生α相和次生α相的含量、尺寸和分布情况均有关。精锻温度 越高,精锻变形量越小,TC4钛合金棒材初生α相的含量低且等轴性好,次生α相的含量高且片层较平直, 整体组织均匀性越好,超声波探伤时信号散射越小,杂波水平越低。

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从以上分析结果可知,随着精锻温度的升高,TC4钛合金棒材的探伤杂波水平逐渐减小。但精锻温度的提高 会导致初生α相含量降低(会对成品叶片的疲劳性能产生不利影响[9]),室温拉伸和高温拉伸强度下降。因 此,针对叶片用TC4钛合金棒材,当精锻温度为940℃时,棒材的探伤杂波水平可以达到φ0.8mm-9dB以下, 初生α相含量可以达到65%左右,性能保持在较高水平,整体组织、性能匹配较好。

3、结论

(1)与轧制工艺相比,精锻工艺制备的TC4钛合金棒材室温拉伸和高温拉伸强度优势明显,但超声探伤杂波水 平稍高。

(2)随着精锻温度升高,TC4钛合金棒材的初生等轴α相含量逐渐减少,室温拉伸和高温拉伸强度下降,但超 声探伤杂波水平逐渐减小。随着精锻变形量增大,棒材晶粒尺寸逐渐减小,室温拉伸和高温拉伸强度逐渐提 高,但组织均匀性变差,超声探伤杂波水平增大。

(3)精锻温度选用940℃时,TC4钛合金棒材的组织和性能匹配较好。

参考文献 

[1]陶春虎,刘庆瑔,刘昌奎,等.航空用钛合金的失效及其预防[M].2版.北京:国防工业出版社,2013.

[2]蔡建明,曹春晓.航空发动机钛合金材料与应用技术[M].北京:冶金工业出版社,2021.

[3]张永红,李永春,曹凯.TC4钛合金板材双晶探头超声波检测[J].宇航材料工艺,2012,42(5):72-75.

[4]宋韦韦,李本江,宋增金,等.TA15钛合金显微组织对超声探伤底波衰减的影响[J].钛工业进展,2021 ,38(3):35-40.

[5]佟健,邰文彬,党永丰,等.钛合金棒材典型冶金次生缺陷超声波探伤波形特征分析[J].钛工业进展, 2018,35(4):40-43.

[6]李华,马英杰,邱建科,等.TC4钛合金显微组织对超声波探伤杂波水平的影响[J].稀有金属材料与工程 ,2013,42(9):1859-1863.

[7]郭凯,杜博生,周中波,等.热处理对TC11钛合金棒材超声波探伤的影响[J].热加工工艺,2018,47 (14):152-154.

[8]SunSD,ZonGYY,ShanDB,etal.HotdeformationBehavioran dmicroStructureevolutionofTC4titaniumalloy[J].TranS actionSofNonferrouSMetalSSocietyofChina, 2010,20(11):2181-2184.

[9]刘庆瑔.航空发动机钛合金叶片制造技术及失效分析[M].北京:航空工业出版社,2018.

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