BT25钛合金化学成分对高温强度的影响

崔一平 魏志坚 叶俊青 谢永富 顾莉莉 杨国平

(贵州安大航空锻造有限责任公司技术中心，贵州561005)

BT25属于马氏体型α+β两相变形热强钛合金。合金元素选用了锡和钨，从而提高了合金的热强性和耐热性，也提高了合金的工作寿命。该合金具有比较好的工艺塑性，其变形规范与TC11相似，用于制造高压压气机盘、隔环等锻件。

国内某重点型号发动机第一、六、七级高压压气机盘及后安装边、三号机匣壳体等零件均采用国产BT25钛合金棒材生产。分析俄罗斯七级盘样件后，确定其组织为β锻工艺生产。国内各锻造厂在研制阶段突破了β锻工艺生产的关键技术，生产的锻件高低倍组织均符合标准要求，但是高温强度差异较大。某锻造厂生产的第七级高压压气机盘，理化测试高温强度不合格。通过多次工艺试验，然后对整批锻件进行重复热处理，最终理化强度符合验收标准，但富裕量仍很小。对此，我们进行了分析研究。

1 原材料化学成分

BT25钛合金化学成分要求见表1。

表1 化学成分要求(质量分数，%)Table 1 The requirement for chemical composition(mass fraction, %)

2 锻件高温拉伸性能及锻件热处理制度

2.1 高温拉伸性能指标

锻件高温拉伸性能指标见表2。

2.2 热处理制度

一次退火：相变点以下30～50℃加热保温，空冷；

二次退火：530～570℃×6 h空冷。

表2 高温拉伸性能指标Table 2 The requirement for high temperature tensile property

3 锻件高温拉伸性能检测

我们对俄罗斯样件及国内锻造厂生产的锻件进行了高温拉伸性能检测，结果如下。

(1)俄罗斯样件的检测结果见表3。

(2)一级盘高温拉伸性能见表4。锻件热处理制度为970℃×1 h，空冷；550℃×6 h，空冷。

(3)六级盘高温拉伸性能见表5。六级盘由两个炉号的钢组成。炉号5520-20060630的锻件热处理制度是：977℃×2 h 50 min，空冷；550℃×6 h 50 min，空冷。炉号565-08406的锻件热处理制度是：982℃×2 h 50 min，空冷；530℃×6 h 50 min，空冷。

表3 俄罗斯样件的高温拉伸性能Table 3 The high temperature tensile property of Russian sample piece

表4 一级盘高温拉伸性能Table 4 The high temperature tensile property of first grade disc

表5 六级盘高温拉伸性能Table 5 The high temperature tensile property of sixth grade disc

(4)采用炉号为BT25—10648的钛合金生产的七级盘的高温拉伸性能见表6。锻件热处理制度为：970±10℃×2 h 45 min，空冷；560±5℃×6 h 45 min，空冷。与技术要求比较可知，高温拉伸性能不合格。

表6 七级盘高温拉伸性能Table 6 The high temperature tensile property of seventh grade disc

对七级盘锻件进行重复热处理。重复热处理制度为：988℃×2 h 50 min，空冷；555℃×6 h 50 min，空冷。解剖件性能结果见表7，试验环性能结果见表8。

(5)采用炉号为565-08406的钛合金生产的七级盘，其试验环(从锻件本体切取)高温拉伸性能见表9。锻件热处理制度为：982±10℃×2 h 45 min，空冷；530±5℃×6 h 45 min，空冷。解剖件(锻件本体)高温拉伸性能见表10。

表7 解剖件高温拉伸性能Table 7 The high temperature tensile property of dissected pieces

表8 试验环高温拉伸性能Table 8 The high temperature tensile property of test ring

表9 试验环高温拉伸性能Table 9 The high temperature tensile property of test ring

表10 解剖件高温拉伸性能Table 10 The high temperature tensile property of dissected pieces

表11 环形件高温拉伸性能Table 11 The high temperature tensile property of ring shaped pieces

表12 壳体环形件高温拉伸性能Table 12 The high temperature tensile property of shell ring shaped pieces

(6)后安装边环形件高温拉伸性能见表11。锻件热处理制度为：980℃×1 h 30 min，空冷；530℃×6 h，空冷。

(7)三号机匣壳体环形件高温拉伸性能见表12。锻件热处理制度为：980℃×2 h 50 min，空冷；530℃×6 h，空冷。

4 分析

4.1 鉴于一级盘、六级盘、七级盘、后安装边及三号机匣壳体锻件的低倍及高倍组织与俄罗斯样件组织相当，因此，七级盘出现的强度指标偏小的问题与高、低倍组织无关。

4.2 锻件热处理制度尤其是冷却速度比较关键。一般提高第一次退火温度，降低第二次退火温度，可以提高高温强度，但如果匹配不当会导致室温塑性不合格。热处理制度对强度指标的贡献是有限的，到一定程度两次退火制度即使达到最佳匹配，强度指标仍然不高，与技术标准相比富裕量仍较小。

4.3 强度指标除与锻件高、低倍组织有关外还与原材料的化学成分有关。经对比俄罗斯样件、宝钛集团、西部超导、西部钛业所提供的材料的化学成分可以看出，西部钛业提供的炉号为BT25-10648的棒材Al、Zr、Sn三种元素与俄罗斯样件、宝钛集团及西部超导差异较大。与其平均值比较，Al含量低0.14%，Zr含量低1.22%，Sn含量低0.51%，这才是七级盘强度指标富裕量小的直接原因。

4.4 作为热强钛合金，除了用Al、Si对Ti进行合金化外，为有效的强化α固溶体需要添加Sn和Zr。Zr元素具有微合金化的作用，能够减小晶粒大小和沿晶粒边界的杂质含量，从而确保亚稳定相更加弥散均匀的分解。由于Sn和Zr在α-Ti和β-Ti中均为无限互溶，组分的减少对高温强化相的分布非常明显，强化作用的降低是必然的。因此作为原材料化学成分的控制应该有所选择，并不是符合技术条件就能满足锻件研制要求。

5 结论

BT25钛合金棒材化学成分Al、Zr、Sn三种元素的含量对采用β锻、双重退火的锻件高温性能强度指标影响非常明显。三种元素的控制是有讲究的，并不是符合棒材技术条件就能够正常使用。

Al元素按中限控制，Zr、Sn元素按偏上限控制。建议原材料冶炼厂以此作为内控标准进行控制。

[1] А.И.Хорёв.航空航天技术用钛合金及其发展前景.钛合金译文集(三)，2007年12月.