永益钛谈TC6钛锻件的组织与性能特点

1、前言

钛合金具有比强度高、中温性能好，抗腐蚀性能好等一系列优点。在室温下，钛合金的比强度高于高强钢和高强铝合金。在400～500℃内，钛合金的比持久强度、比蠕变强度和比疲劳强度都明显高于耐热不锈钢。因此钛合金在航空、航天、化工和船舶等工业部门得到广泛应用[1]。

TC6钛合金为马氏体型α+β两相热强钛合金，是目前应用最广泛的Ti—Al一Mo—Cr—Fe—Si系钛合金。Al在TC6合金中稳定并强化α相；同时加入Mo和Si，增加了β相的数量，有利于热加工和热稳定性的提高；Cr和Fe是β共析元素，通过强化 α和β相提高中等温度下的拉伸强度[2]。TC6合金使用状态一般为退火状态，也可进行适当的强化热处理。该合金可用于制造发动机上在400℃以下长时间工作6000h和在450℃工作2000h的部件口[3]。由于钛合金在超过β转变温度后，晶粒迅速 长大，变形后形成魏氏组织，造成塑性和冲击韧性的降低，因而TC6合金一般在低于β转变温度10～30℃变形[1,4]，锻造温度范围窄，变形抗力大，本文通过不同变形温度对组织、性能的影响，探讨了提高TC6合金可锻性的途径。

2、试验

2.1材料

试验用材料为宝钛股份经3次真空自耗熔炼的TC6钛棒，规格为φ130mm，交付状态为退火态，退火制度为890℃×1h、空冷+600℃×2h、空冷。原材料化学成分见表1。

2.2原材料组织

原材料低倍组织致密，无可见晶粒，其低倍组织见图1(a)。原材料显微组织为网篮状组织，所有原始β晶界已充分破碎，α相不同程度地发生扭曲，其间分布着α和β相的混合体，原材料显微组织见图1(b)。

2.3方法

用金相法测定了试验用棒材的相变点，β转变温度为940~950℃。试验时选用了两个变形温度。第一个变形温度为930℃，低于相变点，即在α+β两相区进行变形；第二个变形温度为950℃，稍高于相变点，即近β锻造。

环形件锻造工艺过程为：坯料加热保温100min，镦饼、冲孔、扩孔、整形，终锻温度大于800℃，锻后空冷。锻件冷却后对锻件进行等温退火处理，退火制度为：870℃×1．5 h；炉冷至650℃，保温2h；空冷至室温。随后对锻件进行解剖分析，以确定变形温度对锻件组织、性能的影响。

3、结果及分析

从两种温度的成形过程看，950℃变形时变形抗力小于930℃时的抗力，材料流动性和可锻性也较好，这主要是因为钛合金有两种同素异构体，低温下是具有密排六方晶格的α相，六方晶格组织滑移面数目有限，在低温下塑性变形困难。随温度升高，六方晶格滑移面增多，塑性大大提高。当温度超过相变点进入β相区后，金属组织由六方晶格转变为体 心立方晶格，塑性大大增加。同时合金组织由两相组织转变为单相组织，消除了由于各相性能不同造成的变形不均，使流动应力降低。在950℃和930℃两个变形温度成形的锻件低倍组织都很均匀、致密，无明显的清晰晶粒，也无其它肉眼可见的冶金缺陷。

3.1锻件组织

显微组织检查发现，930℃变形的锻件显微组织为两相区加工的均匀等轴组织，初生α相基本球化，在等轴仅基体上分布有一定数量的β组织，无明显的原始β晶界痕迹，锻件高倍组织见图2(a)。

等轴α晶粒的形成过程是合金在α+β两相区进行变形时，原始β晶粒和α相同时产生塑性变形，沿金属流动方向被拉长和破碎，随后发生再结晶，由于α相的再结晶快于Bβ相的再结晶，从而得到球状的α再结晶晶粒。一般认为这样的组织综 合性能较好，尤其是塑性和冲击韧性。

950℃变形的锻件显微组织为网篮组织，见图2(b)。组织中原始β晶界未在变形过程中完全消除，但β晶界遭到一定程度的破碎，轮廓不够完整和清晰，条状仅相不同程度地发生扭曲，其间分布着α和β相的混合体。产生该组织的原因主要是 锻造加热温度高于相变点，刻划晶界的条状仪相和晶内的片状α相是在动态变形过程中析出，因此，沿β晶粒边界析出的条状α相被扭曲，被变形的片状α相切割而变得不完整；同时晶内的片状α相被变形拉长和扭曲，改变了原来的规则位向和平行排列，形貌趋近于条状，其间保留着α+β的混合体。一般认为这样的组织热强性较好，室温塑性比等轴 组织有所降低，但能提高断裂韧性、高温持久和高温蠕变性能[2,4]。

3.2锻件力学性能

由于TC6合金普通退火后的空冷过程中亚稳定的β相会部分地分解而形成两相组织，这种组织不稳定，并在合金的使用温度下趋于完全分解。等温退火处理能够保证TC6合金获得最稳定的α+β组织，保证在工作温度的长时间过程中有较高的强 度和最高的塑性和最好的热稳定性，这也是高温下长时间工作零件采用的基本热处理制度[5]。锻件室温力学性能测试数据见表2。

表2来看，在α+β两相区的930℃变形和在β单相区的950℃变形，强度和冲击韧性相近，没有显著差别。塑性略有下降，950℃变形比930℃变形的δ₅，和ψ有所降低，特别是面缩率ψ，这与组织的变化是相对应的。930℃变形获得的是等轴组织，这种组织有极好的塑性。同时，两相区变形初生α相含量更高(见图2)，而α相对拉伸塑性起着重要作用。

拉伸变形较小时，在等轴α和变形β的相界面上产生空洞；随着拉伸变形程度的增加，在必须穿过基体之前，这些空洞沿着相界面长大。α相颗粒对空洞长大起着阻碍作用，初生α相颗粒越多，平均自由程越短，空洞长大遇到的阻碍越大。因此，拉伸试样在断裂前产生更大的变形，从而获得更高的拉伸塑性[2]。虽然950℃变形的锻件室温塑性有降低，但 比一般锻件标准要求的(δ₅≥8％和ψ≥20％)高得多，使用中有很大的富裕量。

在930℃变形和950℃变形锻件的高温力学数据没有显著差异，这两个温度变形对高温力学性能没有太大影响。

4、结论

(1)TC6合金在稍高于β相变点进行近β锻造，可降低变形抗力，提高可锻性。

(2)TC6合金在稍高于β相变点的单相区变形，得到的显微组织为网篮状组织；而在α+β两相区成形，得到的组织为等轴组织。

(3)TC6合金近β锻造和α+β两相区锻造的常规室温、高温力学性能没有明显差异，因此适当提高变形温度，采用稍高于β相变点的近β锻造可以在保证力学性能的情况下，提高合金的可锻性。

参考文献

1中国机械工程学会锻压学会．锻压手册(第一卷)．北京：机械工业出版社，2002：283—324

2王金友，葛志明，周彦邦．航空用钛合金．上海：上海科学技术出版社，1985：113～221

3《中国航空材料手册》编辑委员会．中国航空材料手册(第四卷)．北京：中国标准出版社，2002：132—146

4《锻压技术手册》编委会．锻压技术手册．北京：国防工业出版社，1989：244～254

5布鲁克斯C R．有色合金的热处理、组织和性能．北京：冶金工业出版社，1988：360—387