• 新工藝鍛造對航空用大規格TC11鈦合金棒材性能的影響

    發布時間: 2023-06-19 06:45:52    瀏覽次數:

    TC11鈦合金是一種綜合性能良好的α+β型熱強鈦合金,其名義成分為Ti-6.5Al-33.5Mo-1.5Zr-0.3Si。 該合 金在500℃以下具有優異的熱強性能,并且具有較高的室溫強度,主要應用于航空發動機的壓氣機盤、葉片 、鼓筒等零件,也可用于制造飛機結構件。TC11鈦合金大規格棒材鍛造時,坯料單重大,具有變形抗力大、 鍛透性差等特點,存在組織均勻性差,超聲波探傷合格率低等問題。通過采用多種變形方式交替的鍛造工藝 ,改善了TC11大規格棒材組織均勻性,提高了超聲波探傷合格率。

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    1、實驗

    1.1實驗材料

    采用三次真空自耗電弧爐熔煉的TC11鈦合金φ720mm鑄錠,其化學成分符合標準GB/T3620.1-2007要求。 金相 法測得該合金的β轉變溫度(相變點,Tβ轉)為1000~1005℃。

    1.2實驗工藝及過程分析

    鍛造設備為25MN快鍛機。工藝流程為:鑄錠-->β區開坯鍛造-->β區墩拔-->α+β區墩拔-- > 區成型-->取樣-->試樣熱處理-->機加-->超聲波探傷。

    常規鍛造工藝(原工藝)在墩拔時的變形方式為方截面墩粗、拔長(圖1)。

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    根據最小周邊法則,坯料在鐓粗時,其斷面形狀將趨于圓形;根據最小阻力定律,坯料的每一個質點都 沿其 最小阻力即最短法線方向移動。由圖1可以看出,原丁藝坯料各個區域的變形量不盡相同,而變形量的差異 又會導致組織差異。

    矩形截面坯料在平砧間拔長時的每一次壓縮,其內部的變形情況與鐓粗很相似,同樣存在變形不均勻的 現象 。

    原常規鍛造工藝生產φ200mm棒材的顯微組織見圖2、可以看出,組織均勻性較差,具有一定的方向性。

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    為了避免常規鍛造變形時的不均勻現象,在鐓粗時采取了圓形坯料鐓粗的方式(圖3)。在拔長時采用圓 形、 矩形、棱形、六邊形、方形、圓形交替的變形方式(圖4)。其改進后的工藝稱為新工藝。原工藝與新工藝鐓 拔方式及火次見表1。

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    采用圓形坯料鐓粗時,最小阻力方向即是的半徑方向。能夠有效避免矩形截面變形不均勻的問題。拔長 時通 過截面形狀的交替變化從而實現坯料各個部位的均勻變形,減少變形死,改善組織均勻性。

    通過上述新工藝路線制備成品尺寸為+φ200mm的棒材6批次。每批任取兩支棒材切取厚度為20mm的試樣 ,試 樣熱處理制度為:950℃保溫60min/AC+530℃保溫360min/AC采用箱式電阻爐(爐溫控溫精度±5℃)對試樣 進仃熱處理,在熱處理過的試樣上檢測室溫拉伸、高溫拉伸、持久性能及微組織。棒材按照GB/T5l93.2007 標準進行100%超聲探傷。

    2、結果與分析

    2.1棒材低倍

    原常規鍛造工藝生產φ200mm的棒材的低倍組織按GJB2744A-2007圖1評級為3~5級,新工藝低倍組織評 級見 表2。

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    2.2棒材高倍組織

    新工藝鍛造的TC11鈦合金棒材的顯微組織 為兩相區加工組織,無完整原始B品界,組織細小、均勻,在 β轉變基體上分布著等軸α+片狀α,如圖5所示。

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    2.3棒材力學性能

    原工藝棒材室溫及高溫力學性能見表3。試樣取自棒材長度方向靠近外側面。

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    新工藝鍛造的TC11鈦合金棒室溫拉伸性能見圖6。試樣取自棒材長度方向靠近外側面隨機取12個。

    由圖6可見,室溫抗拉強度1080~1110MPa,屈服強度965~980MPa,均比原工藝高;伸長率和收縮率略高 于原 工藝。

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    由圖7可見,高溫抗拉強度755~790MPa,屈服強度595~605MPa,均比原工藝高,性能差異性小,從而說 明組 織均勻性好。

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    總之。新工藝鍛造的TC11鈦合金棒符合GJB2218A-2008力學性能要求。

    2.4棒材的超聲探傷

    TC11鈦合金鍛棒的探傷無缺陷。新工藝棒材雜波水平φ1.2mm-(6~8)dB,滿足GB/T5193-2007標準A1級要 求。

    3、結論

    (1)新工藝路線的變形方式可有效消除矩形截面變形時的不均勻現象,組織均勻性較好,滿足超聲

    探傷要求。

    (2)采用新工藝鍛造的φ200mmTC11鈦合金棒材各項力學性能指標均優于原工藝。

    參考文獻:

    [1]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應 用[M].北京:化學工業出版社.2005.

    [2]鈦及鈦合金牌號和化學成分.GB/ T3620.1—2007[S].

    [3]王占學.塑性加工金屬學[M].北京:冶 金工業出版社,1991.

    [4]姚澤坤.鍛造工藝學.西安:西北工業 大學出版社,1998.

    [5]鈦及鈦合金加工產品超聲波探傷方法 :GB/T5193-2007[S].

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