航空发动机用TA19钛合金大规格棒材的组织和性能研究

发布时间: 2024-01-13 11:00:44    浏览次数:

TA19钛合金相当于美国的Ti-6242S合金。该合金是一种近α型耐热钛合金,其名义成分(质量分数,%)为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si,含有α稳定元素Al,中性元素Sn和Zr,同晶型β稳定元素Mo,共析型β稳定元素Si。主要用于制造航空发动机的压气机机匣和飞机蒙皮等零件,最高的长期工作温度为500℃。该合金可加工成自由锻件、模锻件、棒材和其它形式的产品。

TA19钛合金的主要特点是具有中等的室温和高温强度,良好的热稳定性和焊接性能。与Ti-6Al-4V(TC4)相比,在相同温度下其变形抗力要比Ti-6Al-4V明显提高。随着TA19钛合金的大量使用,大规格棒材及制坯成为生产中急待解决的技术问题。采用常规的(α+β)锻造,由于其锻造温度在β转变温度下40~50℃,相对于近β锻造温度要

低,因此给大规格棒材改锻带来了困难,锻造火次多,能耗浪费大。TA19钛合金在锻造过程中对工艺参数较为敏感,不同的锻造工艺参数导致棒材组织性能的差异较大。为了满足标准要求必须分析变形工艺参数、组织状态和成形后使用性能三者间关系,进而优化工艺参数。为此,在实际生产中,TA19钛合金的制坯采用了β相区和近β相区锻造,减少材料的损耗,提高生产率和缩短生产周期。成品棒材的组织、性能、超声波探伤均满足技术标准要求。

1、试验

1.1试验材料

试验用的TA19钛合金铸锭采用真空自耗电弧炉三次熔炼,锭型为φ720mm。其化学成分符合GB3620国家标准要求,铸锭的化学成分见表1。用金相法测定铸锭的相转变温度为1010~1015℃。

b1.jpg

1.2试验方法

锻造加热温度、变形量及变形速度对显微组织影响较大。对钛合金锻造加热温度来讲,β转变温度是一个重要的临界温度,低于这个温度即在α+β相区锻造变形后,经双重退火处理,获得等轴α+β转变组织(图1(a))。高于β转变温度即在β区1050℃锻造变形后,经双重退火处理,获得网篮状组织(图1(b))。

t1.jpg

因为不同锻造温度对晶粒度的影响是不同的,随锻造温度的升高,晶粒有所长大。钛合金的组织特征是在变形过程中形成的,并且在随后的热处理中是不能改变的,在β区加热变形,由于β相的晶粒长大,组织变化是不可逆的,这种组织只有重新在α+β相区变形才能改变。在β转变温度以下的温度变形实际上不引起宏观晶粒长大,但显微组织得到了细化。因此要细化宏观组织必须在β区变形,而为了细化显微组织,终锻温度应在两相区。

根据以上分析,在31.5MN压力机上执行如下工艺:①在1150℃铸锭镦拔,锻后空冷、修磨;②在β转变温度以上40~90℃镦拔两火次,锻后空冷、修磨;③在β转变温度以上10~30℃,镦拔两火次,锻后空冷、修磨;④在β转变温度以下10~30℃,两火次锻造至成品棒材,锻后空冷。

根据标准要求制取拉伸试样和组织试样。试样的热处理制度为:970℃×60min,空冷+590℃×480min,空冷。按标准检测产品的组织和力学性能。

2、结果和分析

2.1棒材的低倍和显微组织

图2为φ200mmTA19钛合金棒材成品低倍照片。肉眼观察低倍组织均匀,为模糊晶,无肉眼可见的粗大、清晰晶粒。根据GJB2220-1994图1的评级规定,两规格成品棒材低倍组织评级为B2~B3级。

t2-3.jpg

图3为φ200、φ250mmTA19合金成品棒材试样经热处理后的高倍照片。根据GJB 2220-1994的评级规定,两规格成品棒材高倍组织评级为B5~B6级。

从图中可以看出,显微组织为初生α相和条状β转变组织构成的双态组织(等轴与条状的混合组织),即α初+β转。超声波探伤符合国家标准GB5193-85中A级标准要求。

从图3可以看出,两规格棒材的整体组织均匀性较好,等轴α相呈椭球状和短条状,大小均匀分布于β转变基体上。这表明在β单相区开坯,再经β相区和近β相区多火次反复镦拔的锻造过程能较好地起到细化晶粒、改善材料内部组织均匀性的目的。并在α+β相区采用较高温度(低于β相变点30℃)锻造成形,获得了初生α比例(20%~25%)较

佳的双态组织。

2.2棒材的力学性能

棒材的力学性能如表2、3所示。从表2可以看出,TA19钛合金两规格棒材室温和高温抗拉强度平均值分别为1047、705MPa左右,屈服强度分别为946.5、568.75MPa左右,均高出标准约15%,蠕变性能均符合标准要求。从表3可以看出,TA19钛合金两规格棒材在525℃/480MPa下持久性能符合标准要求。因此表明,该合金大规格棒材所采用的锻造工艺是合理的。

b2.jpg


b3.jpg


3、结论

(1)TA19钛合金铸锭经β相区和近β相区多火次反复镦拔,并采用较高温度的α+β锻造方法成形,获得综合性能良好、组织均匀的大规格棒材。

(2)TA19钛合金是近α型耐热钛合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。

(3)大规格TA19钛合金棒材经970℃×60min,空冷+590℃×480min,空冷的热处理工艺,可以获得良好的综合力学性能。

参考文献:

[1]王金友,葛志明,周彦邦.航空用钛合金[M].上海:上海科学技术出版社,1985.

[2]工程材料使用手册编委会.工程材料使用手册(3):铝合金镁合金钛合金[M].北京:中国标准出版社,1989.

[3]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]王金友,葛志明,周彦邦.航空用钛合金[M].上海:上海科学技术出版社,1985.

[5]刘瑞民,李四清.Ti-6242合金的热力学参数研究[J].热加工工艺,2005,34(12):18-19.

[6]冯永琦.TA19钛合金锻造工艺[J].稀有金属材料与工程,2005,34(10):529-530.

↑