隨著航(hang)空航(hang)天工業(ye)的(de)(de)(de)迅猛發展(zhan)，新型高(gao)推(tui)重(zhong)比(bi)航(hang)空發動機對高(gao)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)提(ti)出(chu)了越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)(de)(de)要求，為此，世界各國都(dou)在競相(xiang)發展(zhan)600℃及(ji)以(yi)上高(gao)溫(wen)(wen)長時間使(shi)用的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)(wen)鈦合(he)(he)金(jin)，例如英國的(de)(de)(de)IMI834合(he)(he)金(jin)，美國的(de)(de)(de)Ti1100、Ti-6242S合(he)(he)金(jin)，俄(e)羅斯的(de)(de)(de)BT36合(he)(he)金(jin)以(yi)及(ji)中國的(de)(de)(de)Ti60、Ti600合(he)(he)金(jin)等(deng)。

Ti60合(he)(he)金是由寶鈦集團和中科(ke)院金屬研究所聯合(he)(he)研制的一種Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系近α型的600℃高溫鈦合(he)(he)金。該合(he)(he)金用高合(he)(he)金化(hua)、和復合(he)(he)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)方式(shi)，在Ti-Al-Sn-Zr的基礎(chu)上同(tong)時加(jia)入一定量的Ta、Nb及Mo三種同(tong)晶型高熔點的β穩定元(yuan)素(su)，通(tong)過這三種穩定元(yuan)素(su)與α穩定元(yuan)素(su)Al及中性元(yuan)素(su)Sn和Zr等合(he)(he)金元(yuan)素(su)搭(da)配(pei)和共(gong)同(tong)作用，使合(he)(he)金成(cheng)為(wei)集細晶強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)、固溶強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)和第二(er)相（α2和硅化(hua)物）彌散強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)于(yu)一身的多元(yuan)復合(he)(he)強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)化(hua)的一種熱強(qiang)(qiang)(qiang)(qiang)鈦合(he)(he)金。

塑性成形結構件的顯微組織狀態決定其使用性能，材料的顯微組織是由材料變形時的變形溫度及變形量以及隨后的熱處理制度所決定。本文作者主要研究了變形溫度對Ti60鈦合金Φ350mm大規格棒材的顯微組織、力學性能及探傷水平的影響，在研究該合金大規格棒材變形工藝的同時，也為該鈦合金棒材的擴展應用提供(gong)了設計數據。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗(yan)采用寶鈦(tai)集(ji)團(tuan)真(zhen)空自耗(hao)電弧爐3次熔(rong)煉的Ti60合金鑄錠（Ф700mm），其化學成分(fen)（質量分(fen)數/wt%）滿足：

5.2～6.2Al、3.0～4.5Sn、2.5～4.0Zr、0.2～1.0Mo、0.20～0.6Si、0.20～1.5Ta、0.20～0.7Nb、0.02～0.08C，余量為Ti。采用金相法測得該(gai)合金相變點（α+β）/β為：1040～1050℃。

1.2實驗方案

鑄錠在單相區采用鐓拔工藝進行開坯鍛造，變形量控制在60～80%，同樣采用鐓拔工藝在α+β兩相區進行中間鍛造，變形量控制在50～70%。在坯料上切取相同規格的兩塊試驗料，利用相同的加熱和鍛造設備，采用A、B（見表1）兩種鍛造工藝生產Φ350mm的Ti60大規格棒材。在棒材本體上切取Ф350×20mm的試樣片，試樣片經1020℃/2h，AC+700℃/2h,AC熱處理。利用OLYMPUSGX71金相顯微鏡對棒材邊部、3R/4、R/2、R/4及心部的五個部位處的橫，縱向顯微組織進行觀察。金相試樣腐蝕劑為V（HF）∶V(HNO₃)∶(H₂O)=1∶3∶10。在試片R/2位(wei)置取弦向，力(li)學性(xing)能試樣進行室溫拉(la)(la)伸(shen)、高溫拉(la)(la)伸(shen)、熱穩定(ding)和蠕(ru)變(bian)性(xing)能測(ce)試，熱穩定(ding)性(xing)能測(ce)試，采(cai)用試樣熱暴(bao)露方式(shi)。

2、實驗結論與討論

2.1鍛造工藝對顯微組織的影響

兩種鍛(duan)造(zao)工(gong)藝所生產棒(bang)材(cai)熱(re)(re)處(chu)理(li)后(hou)的(de)顯微組織(zhi)如圖1～4所示。熱(re)(re)處(chu)理(li)后(hou)，兩種鍛(duan)造(zao)工(gong)藝的(de)生產的(de)棒(bang)材(cai)的(de)組織(zhi)類型均(jun)為(wei)均(jun)勻的(de)雙(shuang)態組織(zhi)，其原始β晶(jing)粒得到充分(fen)破碎(sui)，這(zhe)說(shuo)明兩種變形(xing)工(gong)藝變形(xing)量足夠(gou)充分(fen)。

從圖1、3可(ke)以看(kan)出(chu)方(fang)案A各部(bu)位組(zu)織較(jiao)為均勻，縱、橫(heng)向組(zu)織無明顯差(cha)異(yi)(yi)，初生(sheng)α相(xiang)以球狀(zhuang)、條(tiao)狀(zhuang)存在，大小(xiao)差(cha)異(yi)(yi)較(jiao)大，邊(bian)界為毛刺狀(zhuang)，相(xiang)互之(zhi)間(jian)存在未斷開現象，體(ti)積分數約為20%。由圖2、4可(ke)以看(kan)出(chu)方(fang)案B各部(bu)位的(de)縱、橫(heng)向組(zu)織無明顯差(cha)異(yi)(yi)，初生(sheng)α相(xiang)以球狀(zhuang)存在，且邊(bian)界清(qing)楚，相(xiang)互之(zhi)間(jian)基本斷開，除了少部(bu)分較(jiao)小(xiao)外(wai)，其余大小(xiao)相(xiang)近，體(ti)積分數約為30%。

造成兩種鍛造方(fang)(fang)案(an)(an)(an)棒材顯(xian)微組織差異(yi)的(de)(de)主要原因是變(bian)形(xing)溫(wen)度(du)，方(fang)(fang)案(an)(an)(an)B變(bian)形(xing)溫(wen)度(du)高于(yu)方(fang)(fang)案(an)(an)(an)A,方(fang)(fang)案(an)(an)(an)B在加(jia)熱過程中儲備(bei)的(de)(de)能(neng)量高于(yu)方(fang)(fang)案(an)(an)(an)A，相(xiang)對(dui)于(yu)方(fang)(fang)案(an)(an)(an)A來說，方(fang)(fang)案(an)(an)(an)B的(de)(de)相(xiang)界(jie)(jie)(jie)擴散能(neng)力強(qiang)，晶(jing)界(jie)(jie)(jie)活(huo)動(dong)性大，原子擴散能(neng)力強(qiang)，晶(jing)界(jie)(jie)(jie)移動(dong)速率大，這就使得大晶(jing)粒吞并附近的(de)(de)小晶(jing)粒能(neng)力增加(jia)，而使晶(jing)粒尺寸增加(jia)而數量減少，初生(sheng)ɑ相(xiang)間充分斷開，其形(xing)狀(zhuang)更(geng)趨于(yu)等軸狀(zhuang)。

2.2鍛造(zao)工藝對力(li)學性能的影響(xiang)

表2～3為兩(liang)種(zhong)工藝(yi)所生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)棒材R/2處(chu)弦向的(de)(de)(de)室(shi)溫(wen)、高溫(wen)拉(la)(la)伸及(ji)熱穩定性能(neng)。由(you)(you)測試(shi)結(jie)果可(ke)以看(kan)出方(fang)案(an)A各項性能(neng)指(zhi)標均(jun)優于方(fang)案(an)B。由(you)(you)顯(xian)微組(zu)織可(ke)以看(kan)出，方(fang)案(an)A所得到(dao)組(zu)織中(zhong)的(de)(de)(de)原始β晶粒(li)及(ji)初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)尺寸明顯(xian)小(xiao)于方(fang)案(an)B,初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)以大(da)(da)(da)小(xiao)不(bu)一的(de)(de)(de)且不(bu)規則的(de)(de)(de)球狀、條(tiao)狀存在(zai)。鈦合(he)金(jin)(jin)機械性能(neng)受(shou)顯(xian)微組(zu)織的(de)(de)(de)影響較大(da)(da)(da)，M.AGreenfield[1]指(zhi)出α相(xiang)(xiang)顆粒(li)之間的(de)(de)(de)平(ping)均(jun)自由(you)(you)路程(cheng)（λ）對(dui)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)拉(la)(la)伸塑(su)性起著(zhu)(zhu)重要(yao)的(de)(de)(de)作用，拉(la)(la)伸變(bian)(bian)形(xing)(xing)較小(xiao)時(shi)，在(zai)等軸α相(xiang)(xiang)和轉(zhuan)變(bian)(bian)β組(zu)織間的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)界(jie)面(mian)上易(yi)形(xing)(xing)成(cheng)空(kong)洞(dong)，隨著(zhu)(zhu)拉(la)(la)伸變(bian)(bian)形(xing)(xing)程(cheng)度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加，這些空(kong)洞(dong)沿著(zhu)(zhu)相(xiang)(xiang)面(mian)長(chang)大(da)(da)(da)，α相(xiang)(xiang)顆粒(li)對(dui)空(kong)洞(dong)長(chang)大(da)(da)(da)起到(dao)阻(zu)(zu)礙(ai)(ai)作用，初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)顆粒(li)越(yue)多，平(ping)均(jun)自由(you)(you)路程(cheng)越(yue)短，空(kong)洞(dong)長(chang)大(da)(da)(da)過程(cheng)中(zhong)遇到(dao)的(de)(de)(de)阻(zu)(zu)礙(ai)(ai)就越(yue)多，因(yin)此，拉(la)(la)伸試(shi)樣在(zai)斷(duan)裂前(qian)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)更(geng)(geng)大(da)(da)(da)塑(su)形(xing)(xing)變(bian)(bian)形(xing)(xing)，從(cong)而獲(huo)得更(geng)(geng)高的(de)(de)(de)拉(la)(la)伸塑(su)形(xing)(xing)。作者還認為，在(zai)兩(liang)個α相(xiang)(xiang)顆粒(li)之間，空(kong)洞(dong)沿著(zhu)(zhu)片狀α集團的(de)(de)(de)邊界(jie)長(chang)大(da)(da)(da)，α相(xiang)(xiang)顆粒(li)的(de)(de)(de)數量(liang)越(yue)多，他們之間的(de)(de)(de)平(ping)均(jun)自由(you)(you)路程(cheng)（λ）越(yue)短，且β轉(zhuan)變(bian)(bian)組(zu)織中(zhong)的(de)(de)(de)α和β片層較薄，長(chang)度(du)較短，擁有更(geng)(geng)多的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)界(jie)面(mian)，空(kong)洞(dong)長(chang)大(da)(da)(da)過程(cheng)中(zhong)遇到(dao)的(de)(de)(de)阻(zu)(zu)礙(ai)(ai)就越(yue)大(da)(da)(da)，拉(la)(la)伸試(shi)樣在(zai)斷(duan)裂前(qian)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)更(geng)(geng)大(da)(da)(da)塑(su)性變(bian)(bian)形(xing)(xing)，故拉(la)(la)伸塑(su)性更(geng)(geng)高。這就很(hen)好的(de)(de)(de)解(jie)釋(shi)了方(fang)案(an)A拉(la)(la)伸塑(su)形(xing)(xing)優于方(fang)案(an)B的(de)(de)(de)原因(yin)。

表4所列為兩(liang)種工藝生(sheng)產的(de)(de)棒材(cai)R/2處弦(xian)向的(de)(de)蠕變(bian)性(xing)能。測(ce)試(shi)結果(guo)顯示(shi)，方(fang)案(an)A蠕變(bian)性(xing)能略優于(yu)方(fang)案(an)B。影響該(gai)合金蠕變(bian)性(xing)能的(de)(de)關鍵因(yin)素(su)是(shi)合金成分微區分布與(yu)相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)/晶界(jie)密度以及(ji)第二強化相(xiang)(xiang)(xiang)[2-4]。本次試(shi)驗兩(liang)種方(fang)案(an)所用(yong)材(cai)料化學(xue)成分微區分布基(ji)本相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)，采用(yong)熱處理制度相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)，第二強化相(xiang)(xiang)(xiang)對其影響基(ji)本相(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)。從圖1～4的(de)(de)顯微組織(zhi)可以看出，方(fang)案(an)A的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)及(ji)晶界(jie)密度明(ming)顯大于(yu)方(fang)案(an)B,即相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)面/晶界(jie)面密度是(shi)造成方(fang)案(an)A方(fang)案(an)優于(yu)B的(de)(de)主要原因(yin)。

2.3鍛造工藝對探傷的(de)影響

兩種棒材(cai)的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)檢驗(yan)結果見表5。由表5可見，方(fang)(fang)案(an)(an)A結果明(ming)顯(xian)高于方(fang)(fang)案(an)(an)B.超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)在(zai)介質中傳(chuan)(chuan)播遵循波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)共同傳(chuan)(chuan)播規律，在(zai)傳(chuan)(chuan)播過程(cheng)中如果遇到(dao)(dao)障(zhang)礙物(wu)，就可能(neng)對(dui)(dui)波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)播產(chan)生(sheng)影響，并且(qie)這種影響與障(zhang)礙物(wu)的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)有(you)密切關(guan)系，如果障(zhang)礙物(wu)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)遠小(xiao)于超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)，則障(zhang)礙物(wu)對(dui)(dui)超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)播幾乎(hu)不(bu)(bu)產(chan)生(sheng)影響；相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)反障(zhang)礙物(wu)的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸(cun)與超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)當或遠大于超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)時，超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)將發生(sheng)散射、反射和透射。本次(ci)實(shi)驗(yan)采用接觸法利(li)用CTS-23B型超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)探(tan)傷儀和單探(tan)頭(tou)4P14行檢驗(yan)。超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)平率為5MHZ,波(bo)(bo)(bo)長(chang)約為1.2mm。由顯(xian)微(wei)組織圖1～4看，方(fang)(fang)案(an)(an)A組織晶粒(li)(li)及初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)明(ming)顯(xian)小(xiao)于方(fang)(fang)案(an)(an)B，方(fang)(fang)案(an)(an)A組織晶粒(li)(li)大小(xiao)均(jun)勻(yun)(yun)，基本在(zai)50um左右(you)，初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)直徑在(zai)15～30um，方(fang)(fang)案(an)(an)B組織晶粒(li)(li)較大，并且(qie)各部(bu)位均(jun)勻(yun)(yun)性差，各部(bu)位存在(zai)明(ming)顯(xian)差異(yi)，個別晶粒(li)(li)尺(chi)寸(cun)達到(dao)(dao)300um，初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)基本為直徑40～50um。由顯(xian)微(wei)組織可以看出，兩種方(fang)(fang)案(an)(an)組織中的(de)(de)(de)(de)初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)晶粒(li)(li)直徑遠小(xiao)于超(chao)(chao)(chao)聲波(bo)(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)(bo)長(chang)，不(bu)(bu)是(shi)引起(qi)方(fang)(fang)案(an)(an)B雜波(bo)(bo)(bo)水平較高的(de)(de)(de)(de)主要原因，或者說在(zai)這兩種方(fang)(fang)案(an)(an)下(xia)的(de)(de)(de)(de)顯(xian)微(wei)組織，初生(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)顆(ke)粒(li)(li)大小(xiao)對(dui)(dui)超(chao)(chao)(chao)聲檢驗(yan)雜波(bo)(bo)(bo)水平的(de)(de)(de)(de)影響可以忽略。

造成(cheng)方案B雜波(bo)水(shui)平較(jiao)高(gao)的主要原(yuan)因是組織中的原(yuan)始β晶(jing)粒，組織存在粗大的晶(jing)粒及(ji)各部位組織不均勻(yun)影響了超(chao)聲波(bo)的傳播，造成(cheng)雜波(bo)水(shui)平較(jiao)高(gao)。

3、結語

Ti60鈦(tai)合金Φ350mm規格棒(bang)材采用Tβ-40℃進行α+β兩相(xiang)區鍛造，其組織晶(jing)粒更細小均勻，力學(xue)性能及探傷水平均優(you)于采用Tβ-20℃進行α+β兩相(xiang)區鍛造的(de)棒(bang)材。

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