過熱區對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響

引言

TB6鈦合金因具有較高的比強度、優異的疲勞性能以及較強的抗應力腐蝕能力，在航空航天領域得到廣泛應用［1－4］。TB6作為近β型鈦合金，淬透性很高，淬透層深度可達50mm以上［5－6］，這意味著TB6鈦合金可以制成尺寸較大的鍛件。但是較大尺寸的鈦合金棒材變形時，容易出現局部過熱，導致內部組織出現不均勻現象。這主要是因為變形過程中的塑性變形功除了小部分以彈性變形能的形式存儲在變形體中以外，絕大部分都轉換成熱能［7］，而鈦合金傳熱系數較小，導致鈦合金內部區域有較大溫升［8－9］。棒材內部的溫升使得心部區域的實際變形溫度高于工藝溫度，甚至可能超過相變點，內部就會生成非等軸的微觀組織，從而導致棒材橫截面組織與性能的不均勻。

國內外學者對如何減少鈦合金組織與性能的不均勻性做了很多研究，提出了諸如對變形模具加熱、降低變形速率、采用近等溫鍛造［10－12］等改進措施，但是關于過熱區對大規格鈦合金棒材組織與性能影響的研究較少。隨著TB6鈦合金作為結構件在直升機、客機、戰斗機等領域的應用越來越廣泛，對大規格TB6鈦合金棒材的需求越來越迫切。因此，本研究對實際生產過程中內部出現過熱的大尺寸TB6鈦合金棒材進行取樣研究，通過組織觀察與力學性能測試，考察過熱區對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響，為大尺寸TB6鈦合金棒材的研發與應用提供參考。

1、實驗

實驗材料取自北京航空材料研究院鈦合金研究室熔煉的φ330mm的TB6鈦合金鑄錠。鑄錠以0級海綿鈦、中間合金為原料，通過3次真空自耗熔煉而成，其化學成分見1。鑄錠經過開坯、改鍛，最終獲得橫截面尺寸為210mm×210mm的TB6鈦合金方形棒材。對棒材進行755℃×2h/WQ+515℃×8h/AC熱處理。

取樣示意圖如圖1所示。在橫向截面上從邊緣到心部依次截取橫向拉伸試樣(標距尺寸為5mm×25mm)，依據GB/T228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，采用5887-E2-G1萬能材料試驗機進行力學拉伸測試;在邊緣與心部分別取寬40mm、厚10mm的疲勞裂紋擴展C(T)試樣，依據GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》，采用MTS370-50KN電液伺服疲勞試驗機進行疲勞裂紋擴展速率測試;在邊緣與心部分別取寬40mm、厚20mm的斷裂韌度C(T)試樣，依據GB/T4161—2007《金屬材料平面應變斷裂韌度KⅠC試驗方法》，采用MTS370-250KN電液伺服疲勞試驗機進行平面斷裂韌度測試。依據GB/T231.1—2009《金屬布氏硬度試驗》，采用BＲIN400D硬度試驗機從邊緣到心部間隔10mm依次測量布氏硬度。在橫截面上間隔5mm依次取10mm×10mm×15mm金相試樣，采用DM3000M金相顯微鏡觀察顯微組織。在棒材中間部位取低倍試樣，觀察橫截面低倍組織。

圖 1 取樣位置示意圖

Fig. 1 Sketch map of test sample positions

2、結果與分析

2.1低倍組織

圖2為TB6鈦合金棒材橫截面低倍組織。從圖中可以看出，截面整體上晶粒較細，無偏析、夾雜、裂紋、縮孔氣孔等冶金缺陷，也沒有明顯的條紋、亮點，但在心部出現一個稍微發亮的過熱區域，大致呈正方形。過熱區面積約占橫截面總面積的18.4%。

圖 2 TB6 鈦合金棒材低倍照片

Fig. 2 Macrograph of the TB6 titanium alloy bar

2.2顯微組織

TB6鈦合金棒材正常區域內，不同部位(以距表面的深度H表示)的金相照片如圖3所示。可以看出，距TB6鈦合金棒材表面深度60mm以內的區域，顯微組織由β基體和球狀初生α相組成，晶界α相被充分破碎，屬于正常顯微組織。距棒材表面深度為50～60mm的區域，α相球化程度更高，α相尺寸明顯增大(圖3c)。TB6鈦合金棒材過熱區不同部位的顯微組織如圖4所示。在深度為65mm以上的心部區域，α相呈長條、集束狀交錯排列，為針狀網籃組織。心部區域溫度較高，冷卻速度較慢，產生的過冷度較小，故α相再結晶的晶核只能在晶界上形成。與此同時心部變形量較大，晶粒與晶界充分破碎，可供α相形核的位置及數量較多，這就導致生成的α相相互交錯，生成針狀網籃組織，最終形成如圖1中所示亮白的過熱區。在深度為65～75mm的區域，其顯微組織中仍可見零星分布的顆粒狀α相，鑲嵌在網籃組織當中。深度大于80mm的心部區域，則完全沒有顆粒狀α相，并且網籃組織更為致密。

圖 3 TB6 鈦合金棒材正常區域不同部位的金相照片: (a)H =20 ～30 mm; (b)H =35 ～45 mm; (c)H =50 ～60 mm

Fig. 3 Metallographs of TB6 titanium bar at different positions in normal zone: (a)H =20 ～30 mm; (b)H =35 ～45 mm;(c)H =50 ～60 mm

TB6鈦合金棒材一般需要經過固溶與時效處理后使用，因合金所含β穩定元素較多，β相晶格轉變阻力較大，所以固溶時會生成過飽和不穩定β相，該β相在時效過程中會逐步分解成彌散分布的α強化相與殘余β相。美國AMS4986標準中Ti-1023合金(對應國內牌號TB6)的淬透層深度≥50.8mm(2.0inches)［5］，文獻［6］中尺寸為165mm×179mm的TB6鈦合金方棒淬透層深度可以達到67.5mm。根圖3與圖4，尺寸為210mm×210mm的TB6鈦合金棒材的淬透層深度約為60mm。可以看出，TB6鈦合金棒材尺寸增大，淬透層深度并不一定增大。

圖 4 TB6 鈦合金棒材過熱區不同部位的金相照片: (a、d)H =65 ～75 mm; (b、e)H =80 ～90 mm; (c、f)H =95 ～105 mm

Fig. 4 Metallographs of TB6 titanium bar at different positions in over-heated zone: (a，d)H =65 ～75 mm;(b，e)H =80 ～90 mm; (c，f)H =95 ～105 mm

這主要是因為棒材尺寸的增大使得心部熱量散發更慢，固溶時心部區域不能獲得足夠的冷卻速度，在臨界冷卻速度以下的區域就不能生成亞穩β相，而是直接生成α+β相。

2.3力學性能

TB6鈦合金棒材不同部位的拉伸性能和布氏硬度如圖5所示。可以看出，從邊緣到心部，TB6鈦合金強度呈下降趨勢，塑性呈上升趨勢，其中抗拉強度最大降低22.9%，屈服強度最大降低28.5%。從邊緣到心部，布氏硬度呈下降趨勢，但變化不大，只降低4.2%。單邊深度60mm以內的區域為正常等軸組織，這部分TB6鈦合金因位置較淺，經過755℃固溶處理時能獲得較大的冷卻速度而淬透，得到不穩定β相，經515℃時效后獲得β基體和彌散強化的α相，從而獲得較高的抗拉、屈服強度與硬度。深度大于65mm的心部區域，其組織為網籃組織，屬于沒有淬透的區域，不能獲得不穩定β相，在時效過程中不能獲得強化的α相，故抗拉、屈服強度以及布氏硬度明顯降低。但是心部的網籃組織具有良好的塑性，其延伸率與斷面收縮率相對正常區域較高。

圖 5 TB6 鈦合金棒材不同部位的拉伸性能(a、b)和硬度(c)

Fig. 5 Mechanical properties (a，b) and hardness (c) of TB6 titanium alloy bar in different positions

表2為TB6鈦合金棒材不同部位的平面應變斷裂韌度，圖6為TB6鈦合金棒材不同部位的疲勞裂紋擴展速率。可以看出，心部過熱區具有較大的平面應變斷裂韌度以及較小的疲勞裂紋擴展速率。這主要是因為心部為網籃組織，裂紋擴展途徑較為曲折，增加了裂紋總長度，所以消耗更多的能量，同時裂紋分叉多，分散了裂紋尖端的應力場，在破壞過程中吸收的能量大，故斷裂韌度更大，裂紋擴散速率小［13－14］。等軸組織的裂紋擴散路徑平直，分枝少，在破壞過程中吸收的能量少，故斷裂韌度低，裂紋擴散速率大。

圖 6 TB6 鈦合金棒材不同部位的疲勞裂紋擴展速率

Fig. 6 Fatigue crack growth rate of TB6 titanium alloy bar in different zone

2.4過熱區對組織與力學性能均勻性的影響

過熱區的存在使得大尺寸TB6鈦合金棒材的橫截面組織分布極不均勻。TB6鈦合金棒材經過鍛造與熱處理后，靠近邊緣的區域得到球化較好的等軸組織，具有優異的綜合力學性能;心部區域為針狀網籃組織，強度與硬度較低。GJB1538A—2008標準［15］中要求，較大尺寸TB6鈦合金棒材固溶時效后的橫向性能Ｒm≥1105MPa，ＲP0.2≥1000MPa，A≥6%，Z≥10%。由圖5可知，距表面深度為63～147mm的過熱區的力學性能已經不滿足該標準要求。

過熱區對力學性能均勻性的影響可以采用平均值(Ave)、標準差(σ)與極差(Ｒ)來進行衡量。對TB6鈦合金棒材不同部位拉伸性能的均勻性進行計算，結果見表3。可以看出，正常區域的力學性能數據均勻性較好，過熱區的存在使得總體區域的數據平均值、標準差與極差變化較大。Ｒm的平均值降低了7.8%，標準差、極差分別增加了147.3%、109.8%;A的平均值增加了21.1%，標準差、極差分別增加了29.4%、68.8%。心部過熱區因未能獲得等軸組織而成為一個性能薄弱區域，在一定程度上會降低棒材以及后續所制鍛件的安全系數，形成安全隱患，必須避免產生。因此亟待研究適用于大尺寸TB6鈦合金棒材的鍛造與熱處理工藝。

3、結論

(1)TB6鈦合金棒材深度為60mm以內的區域為正常的球狀等軸組織，深度為65mm以上的心部過熱區為針狀網籃組織。過熱區主要是因為心部區域在固溶時不能獲得足夠的冷卻速度，在低于臨界冷卻速度時沒有生成亞穩β相，而直接生成α+β相造成的。

(2)TB6鈦合金棒材橫截面上過熱區面積占比約18.4%，相較正常等軸組織，其抗拉強度最大降低22.9%，屈服強度最大降低28.5%，布氏硬度降低4.2%，但是具有較好的塑性、較高的平面應變斷裂韌度與較強的抗疲勞裂紋擴展能力。

(3)過熱區的存在增大了棒材橫截面組織與性能的不均勻性，降低了TB6鈦合金棒材及后續所制鍛件的安全系數，必須予以避免。

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