Ti-1023鈦合金是一種高可靠性、低成本的高強(qiáng)高韌性近β鈦合金，名義成分為Ti-10V-2Fe-3Al，具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透截面大、各向異性小、鍛造溫度低和抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高可靠性和低制造成本的設(shè)計(jì)要求，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。

基于新疆湘潤(rùn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)條件，熔煉出Ti-1023鈦合金?650 mm規(guī)格2 t級(jí)鑄錠，經(jīng)多次鍛造制備為?160 mm的棒材。本文通過對(duì)鑄錠成分以及棒材宏觀、微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，總結(jié)出Ti-1023合金棒材合理的生產(chǎn)工藝，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1.   實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用0A級(jí)小顆粒海綿鈦以及多元中間合金共投料2 t經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉制備成?650 mmTi1023鈦合金鑄錠，主要成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）V為9.0%~11.0%、Fe為1.6%~2.2%、Al為2.6%~3.4%，其余為Ti，符合GJB1538的要求。鑄錠經(jīng)過切冒口、切底、鋸切中分后，在軸向外圓頭部、中部、尾部（圖1），橫截面9點(diǎn)位置（圖2）取樣，用原子發(fā)射光譜法測(cè)試其主要合金元素（Al、V、Fe）的含量和其他雜質(zhì)元素。

在Ti-1023鈦合金鑄錠頭部切取適量樣塊，采用金相法測(cè)得α+β相/β相的轉(zhuǎn)變溫度為805~810 °C。鑄錠整體采用“高-低-高-低”工藝路線進(jìn)行加工鍛造，采用45/50MN快鍛機(jī)在單相區(qū)（β相區(qū)）開坯，最后鍛成?160 mm的成品棒材。

按GJB1538標(biāo)準(zhǔn)，Ti-1023鈦合金棒材的組織和力學(xué)性能采用在?160 mm棒材上沿縱向切取20 mm厚試樣片和80 mm長(zhǎng)樣棒用于各項(xiàng)性能檢測(cè)。20 mm厚試樣片平端面后檢查R態(tài)、β斑（785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC）和固溶時(shí)效（775 ℃×1.5 h WC+540℃×8 h AC）處理后的高低倍組織，采用ICX41M金相顯微鏡觀察組織形貌并拍攝金相照片。80 mm長(zhǎng)的樣棒在馬弗爐以775 ℃×1.5 h WC+540 ℃×8 h AC的制度進(jìn)行熱處理后，用H-5550K半自動(dòng)帶鋸床在試樣片D/4處切取橫縱向試樣坯，按標(biāo)準(zhǔn)要求機(jī)械加工成力學(xué)性能測(cè)試試樣，對(duì)其進(jìn)行室溫力學(xué)性能拉伸檢測(cè)，拉伸實(shí)驗(yàn)在CMT5205拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定。同時(shí)，對(duì)成品棒材進(jìn)行接觸法超聲波無損探傷檢測(cè)。

2.   結(jié)果及分析

2.1   鑄錠的化學(xué)成分分析

按照產(chǎn)品取樣要求在鑄錠表面縱向頭部、中部、尾部和橫截面9點(diǎn)位置進(jìn)行取樣，檢測(cè)不同部位主要合金元素含量，測(cè)試結(jié)果顯示鑄錠化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其是縱向表面頭部和尾部?jī)蓚€(gè)位置的雜質(zhì)元素（C、N、O、H）含量測(cè)試結(jié)果都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)范圍要求，說明鑄錠的純凈度很高[2]。

圖3為鑄錠不同部位主要合金元素化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)圖。取樣點(diǎn)位置分別為鑄錠外圓頭、中、尾縱向表面（1~3點(diǎn)），頭、中和尾部3個(gè)橫向截面（4~30點(diǎn)）。由圖3可以看出，外圓面上頭、中、底3點(diǎn)取樣檢測(cè)的主元素Al、V、Fe化學(xué)成分波動(dòng)較小，其中Al元素含量為3.16%~3.24%；V元素含量為9.86%~10.06%；Fe元素含量為1.77%~1.89%；Al、V元素偏差不大于0.2%，其中易偏析元素Fe的偏差不大于0.12%，說明生產(chǎn)的鑄錠軸向方向上化學(xué)成分均勻性較好；鑄錠頭、中、底橫截面九點(diǎn)取樣檢測(cè)化學(xué)成分均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主元素Al、V最大偏差不大于0.13%~0.27%，易偏析Fe元素偏差不大于0.34%。整體來看，鑄錠均勻性良好，各元素成分均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

鑄錠在采用真空自耗電弧熔煉過程中，存在易發(fā)生偏析元素Fe，可能會(huì)出現(xiàn)鑄錠熔煉時(shí)成分不均勻或偏析現(xiàn)象。根據(jù)鈦合金相圖以及合金的凝固理論，在正常的凝固條件下，偏析系數(shù)k≥1的合金元素不易出現(xiàn)偏析，除非在熔煉過程中合金元素和中間合金未能充分均勻化；偏析系數(shù)k＜1的合金元素，即使熔融狀態(tài)下合金是均勻的，但在凝固時(shí)同一溫度下的固相成分和液相成分仍存在一定差別，液相中元素含量總是高于固相，這就導(dǎo)致鑄錠容易在中部和頭部產(chǎn)生偏析[3]。由圖3可以看出，橫截面頭部中心點(diǎn)Fe元素含量略高，次之為中部，最后是尾部，與上述分析一致。

總體來看，Ti-1023鈦合金2 t級(jí)鑄錠主要合金元素化學(xué)成分分布均勻、純凈度良好，均滿足鑄錠的技術(shù)要求，這也表明了鑄錠在原材料的選擇以及對(duì)熔煉過程中的工藝控制等方面都是合理可行的。

2.2   棒材組織形貌分析

Ti-1023鈦合金在?160 mm棒材的頭部、尾部位置切取試樣片進(jìn)行表面腐蝕后的鍛態(tài)（R態(tài)）照片。

從圖4可以看出，棒材的低倍組織為均勻模糊晶，不存在偏析、夾雜以及其他類冶金缺陷，說明該鍛造坯料獲得了充分的變形。采用4500 t快鍛機(jī)大噸位壓力，通過對(duì)鑄錠采用“高-低-高-低”工藝路線進(jìn)行多火次鍛造，充分破碎鑄態(tài)晶粒，坯料采用換向鍛造，提高坯料的鍛透性，使棒材的組織更加均勻。鍛造工藝?yán)媒潞辖鸬摩禄w在快速完成再結(jié)晶時(shí)晶粒長(zhǎng)大很緩慢這一加工特性，使金屬的晶粒處于反復(fù)破碎，亞晶粒合并長(zhǎng)大和晶界遷移過程中，最終棒材組織趨于均勻一致[4]，為棒材均勻的組織和良好的性能打下了良好的基礎(chǔ)。

在相當(dāng)于鑄錠頭部位置的棒材試樣片上切取不同區(qū)域（邊部、D/4和心部）的橫向試樣，觀察R態(tài)和對(duì)其進(jìn)行固溶加時(shí)效熱處理后的顯微組織，見圖5和圖6。從圖5可以看出，棒材R態(tài)顯微組織由β基體和基體上分布的均勻、細(xì)小的等軸初生α相組成，初生α相平均尺寸為3.5 μm左右，初生α相的體積分?jǐn)?shù)在35%以上。從圖6可以看出，經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，等軸化晶粒更顯著，表明鍛造變形量等工藝參數(shù)合理。

2.3   棒材β斑檢測(cè)結(jié)果

Ti-1023鈦合金Fe元素的平衡分配常數(shù)是0.3，有很大的偏析傾向。Ti-1023鈦合金β斑形成的主要原因是“Fe”合金材料的局部偏析富集引起此部分β轉(zhuǎn)變溫度比基體下降，導(dǎo)致在富Fe區(qū)形成不含初生α相或α相含量相對(duì)稀少的區(qū)域，即β斑，β斑會(huì)嚴(yán)重影響合金的塑性和低周疲勞壽命[5-7]。

TB6合金鑄錠Fe成分不均勻是形成β斑的“先天”因素，后續(xù)的熱加工和熱處理工藝是影響β斑產(chǎn)生的“后天”因素[8]。依據(jù)GJB1538中熱處理工藝選擇785 ℃×1.5 h WC+530 ℃×8 h AC制備棒材。對(duì)棒材進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)宏觀形貌上棒材局部無異常現(xiàn)象（圖7）；而微觀組織等軸初生α相含量約為15%，滿足GJB1538中初生α相含量大于10%以上的標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖8所示。由此表明熔煉工藝和鍛造工藝在控制β斑方面有一定顯著效果。

2.4   力學(xué)性能

?160 mmTi-1023鈦合金成品棒材的力學(xué)性能結(jié)果如表1所示（每組取兩個(gè)平行試樣）。

從表1可以清楚地看出，棒材的各項(xiàng)性能均符合相關(guān)指標(biāo)的要求，橫縱向的高塑性和強(qiáng)度都是均勻的，塑性較標(biāo)準(zhǔn)值有一定的富余。說明在鍛造時(shí)采用適當(dāng)?shù)墓に囀蛊溆休^為充分的變形，使得棒材在各個(gè)方向上組織的均勻性比較好，差異性較小。

2.5   棒材的超聲波檢測(cè)

采用SONATEST 380M型超聲探傷儀、奧林巴斯V109探頭對(duì)?160 mm Ti-1023鈦合金成品棒材的超聲檢測(cè)從波形來看，噪聲水平不高于20%，噪聲均勻，無明顯缺陷信號(hào)出現(xiàn)，底波變化幅度小于6 dB，噪聲水平為半聲程?1.2 –9 dB~–12 dB（圖9），表明成品棒材可滿足GB/T5193—2007標(biāo)準(zhǔn)中的A1級(jí)要求。圖9中橫坐標(biāo)代表深度，縱坐標(biāo)代表信號(hào)高度，滿屏按100%計(jì)。

3.   結(jié)束語(yǔ)

（1）采用0A級(jí)小顆粒海綿鈦以及多元中間合金熔煉生產(chǎn)的鈦合金鑄錠，成分均勻性良好，鑄錠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）鑄錠采用“高-低-高-低”工藝進(jìn)行多火次鍛造制備出高倍組織、低倍組織、超聲波探傷都符合GJB1538標(biāo)準(zhǔn)要求的棒材。

（3）采用合適的熱處理工藝，棒材的強(qiáng)度橫縱向差異小，各點(diǎn)均勻性能良好，各項(xiàng)力學(xué)性都可以符合GJB1538標(biāo)準(zhǔn)要求。

文章來源——金屬世界