变形方式和热处理工艺对Ti-662合金棒材组织和性能的影响

胡晓晨，陈 林，朱宝辉，陈睿博，刘彦昌，赵洪章，王 莉，郑爱国

(宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000)

变形方式和热处理工艺对Ti-662合金棒材组织和性能的影响

胡晓晨，陈 林，朱宝辉，陈睿博，刘彦昌，赵洪章，王 莉，郑爱国

(宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏 石嘴山 753000)

将Ti-662合金铸锭在快锻机和径锻机上经过7火次锻造制备出φ90 mm的棒材。研究了2种不同锻造变形方式(轴向反复镦拔和换向反复镦拔)和不同热处理工艺对Ti-662合金棒材组织和性能的影响。结果表明:采用换向反复镦拔锻造获得的Ti-662合金棒材组织均匀无方向性，横向性能较轴向镦拔获得的棒材明显改善，纵、横向性能差别不大;不同的热处理实验对比得出，采用880℃×1 h/WC+600℃×4 h/AC固溶加时效处理可使棒材的强度和塑性达到良好匹配，纵、横向力学性能均可满足MIL-T-904标准要求，而且经超声波探伤检测达到AMS 2631B中的A1级质量要求。

Ti-662钛合金;棒材;锻造;热处理;显微组织;力学性能

1 前言

Ti-662属于高强钛合金，是美国在Ti-6Al-4V合金基础上，添加较多β相稳定元素钒及其他调节元素研制出的一种多元强化钛合金。由于其优异的力学性能、耐热性能(可在400℃以下长期使用)、较好的抗氧化性、耐蚀性和焊接性能，被广泛应用于飞机机身、火箭发动机、核反应堆部件以及石油勘探设备等部件［1－4］。国内相应的牌号是 TC10钛合金，应用比较少。近几年在迫击炮身管上曾有应用，但仅限于军工行业，在其他行业的应用并不多见，而且相关研究也鲜有报道。

Ti-662合金的名义成分为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，与Ti-6Al-4V合金相比，Ti-662合金增加的β相稳定元素极大地改善了其热处理特性，常温及高温性能均有明显的改进，其退火态强度超过了Ti-6Al-4V合金退火态的强度，同时也可进行固溶时效热处理达到更高的强度。由于国内对Ti-662合金棒材的锻造和热处理等研究较少，因此结合市场需求研究了锻造变形方式及热处理工艺对Ti-662合金棒材组织和性能的影响。

2 实验

2.1 实验材料及设备

实验所用原料为Ti-662合金铸锭。该铸锭选用一级海绵钛(粒度0.83～12.7 mm)、铝锡合金、铝钒合金、铜屑、铝豆、铁钉等原材料，根据MIL-T-9047G标准的化学含量中间值进行配料，混料均匀后进行电极块压制和电极组焊，采用3 t真空自耗电弧炉经过三次熔炼制备而成。铸锭规格为φ600 mm，化学成分见表1。采用连续升温金相法测得其相变点为(955±5)℃。

表1 Ti-662合金铸锭化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of Ti-662 alloy ingot

锻造设备采用的是16MN快速液压锻造机和SXP-13径向锻造机。加热设备为具有3级精度的箱式电阻炉。热处理设备为具有2级精度的箱式电阻炉。拉伸试验在INSTRON 4505电子万能试验机上进行，显微组织在Leica MM-6金相显微镜上进行观察。棒材内部质量检验采用CTS2020探伤仪进行超声波探伤检验。

2.2 实验方案

将φ600 mm的铸锭在相变点以上β区(Tβ+100～200℃)开坯锻造，经过反复镦拔使之变形量达到80%左右，再在α+β两相区(Tβ－30～50℃)四镦四拔锻造至φ110 mm。两相区锻造时采用轴向反复镦拔和换向反复镦拔2种工艺方案。最后经径向锻造得到φ90 mm的成品棒材。成品棒材分别采用3种方案进行热处理试验，根据按文献［3］将固溶热处理工艺确定为880℃ ×1 h/WC，时效温度选择在580、600、620℃，成品棒材的热处理方案见表2。

表2 Ti-662合金棒材热处理方案Table 2 Heat treatment scheme of Ti-662 alloy ingot

3 结果与分析

3.1 变形方式对棒材组织和性能的影响

采用2种不同工艺方案锻造的φ90 mm Ti-662合金棒材的显微组织见图1，力学性能见表3。

图1 2种工艺方案锻造的Ti-662合金棒材锻造态金相照片Fig.1 Metallographs of Ti-662 alloy rod forged by two methods

表3 2种工艺方案锻造的Ti-662合金棒材力学性能比较Table 3 Mechanical properties of Ti-662 alloy rod forged by two forging process

从显微组织对比来看，2种工艺方案锻造态组织均为在β转变基体上分布的细小等轴初生α相，为典型的α+β两相组织［5］。其中，图1a中有明显的纵向加工流线，组织呈现一定的方向性，而图1b中组织均匀没有方向性。这是因为图1a采用的是轴向反复镦拔，虽然经过大变形，使铸态组织得到充分破碎和球化，获得了细小的初生α相和β转变组织，但是由于在变形过程中晶粒不断被拉长，形成变形组织，且铸造组织中存在的偏析及夹杂等冶金缺陷，也随之被破碎、拉长，沿主变形方向分布，从而造成变形后的组织具有一定的方向性［6］。因此采用轴向反复镦拔锻造，在金属材料内部容易形成轴向的流线，使组织具有一定的方向性。而图1b采用的是换向反复镦拔，不断地改变主变形方向，在改善铸造组织的同时，也不会形成变形流线，使得显微组织均匀无方向性。

从力学性能对比来看，工艺方案一获得的组织，纵向和横向拉伸性能差异较大，纵向性能明显优于横向。而工艺方案二获得的组织虽然纵向性能也优于横向性能，但纵向和横向的差异较小，各向同性明显提高。而且，工艺方案二比工艺方案一的横向性能有了大幅度提高。由此可见，采用换向反复镦拔可以使Ti-662合金棒材的横向性能得到大幅度提高。

3.2 不同热处理制度对棒材组织和性能的影响

Ti-662合金可以在退火和固溶时效状态下使用。为了获得更好的强度，对经过换向反复镦拔锻造的Ti-662合金棒材进行了固溶加时效处理。图2为Ti-662合金棒材经不同工艺热处理后的金相照片。其中，图2a为经过880℃ ×1 h/WC固溶处理后的显微组织，由于Ti-662合金富含β相稳定元素，所以水淬后的组织由少量的初生α、马氏体转变的α相和亚稳态β相组成［2］。而淬火得到的马氏体硬度低而塑性高，且存在非平衡相，需要进一步的时效处理。图2b～d为固溶后经过不同温度时效处理后的显微组织。随着时效温度的增加，强化α相的数目增多并粗化，弥散度变小。时效时产生的强化是由于淬火时形成的亚稳定相继续分解造成的。亚稳态β相分解时其强化效果最大，时效时在β相里析出足够多的弥散α相，并随着时效温度降低，析出的α相更弥散，从而获得更大的强化效果。亚稳态组织在时效时的分解包含马氏体相和亚稳态β相的分解。马氏体相的分解，是在α相的基体中析出β相，基体α成分接近于反应达到平衡时的α相的成分。亚稳态β相的分解，是由于Ti-662合金中包含的Cu和Fe属于β共析型稳定剂，亚稳态β相分解平衡后的相组成为α+β和α+化合物，进一步起到强化作用［7－8］。

图2 换向反复镦拔锻造的Ti-662合金棒材经不同工艺热处理后的金相照片Fig.2 Metallographs of Ti-662 alloy rod after different heat treatment processes

Ti-662合金棒材经固溶加时效处理后的力学性能见表4。从表4中可以看出，时效温度较低时，强度较高，塑性较低;随着时效温度的提高，强度却明显下降，塑性提高，其中，时效温度为600℃时，强度和塑性得到了良好匹配，纵、横向力学性能均可满足MIL-T-9047G标准要求。

对880℃ ×1 h/WC+600℃ ×4 h/AC固溶加时效处理后的Ti-662合金棒材进行超声波探伤检测，质量达到AMS 2631B中A1级要求，可以证明材料的组织均匀，内部质量一致性好。

表4 Ti-662合金棒材经不同工艺热处理后的力学性能Table 4 Mechanical properties Ti-662 alloy rod after different heat treatment

4 结论

(1)与轴向反复镦拔锻造相比，换向反复镦拔锻造获得的Ti-662合金棒材可避免组织呈现一定的方向性，减少了纵向组织和横向组织的力学性能差别，提高了组织和性能的均匀性。

(2)换向反复镦拔锻造获得的Ti-662合金棒材经880℃ ×1 h/WC+600℃ ×4 h/AC固溶时效处理后，强度和塑性达到了良好匹配，具有很好的综合力学性能。

［1］稀有金属加工手册编写组.稀有金属材料加工手册［M］.北京:冶金工业出版，1984:87.

［2］Wood R A，Favor R J.钛合金手册［M］.刘静安，吴煌良，姚毅中，等译.重庆:科学技术文献出版社重庆分社，1983:75－86.

［3］戚运莲，杜宇，刘伟，等.热处理温度对TC10钛合金棒材组织与性能的影响［J］.钛工业进展，2011，28(5):31－33.

［4］陈国财，杨文甲，陈苏，等.锻造工艺对TC10钛合金棒材性能的影响［J］.中国有色金属学报，2010，20(增刊1):25－27.

［5］朱宝辉，赵洪章，沈立华，等.TC19钛合金棒材的研制［J］.钛工业进展，2012，29(3):26－28.

［6］姚泽坤.锻造工艺学［M］.西安:西北工业大学出版社，2005:78－79.

［7］莫畏.钛［M］.北京:冶金工业出版社，2008:664－668.

［8］邵军，陶海林，王农.热处理工艺对TC16钛合金棒材性能的影响［J］.钛工业进展，2012，29(3):32－34.

Effects of Deformation Mode and Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of Ti-662 Alloy Rod

Hu Xiaochen，Chen Lin，Zhu Baohui，Chen Ruibo，Liu Yanchang，Zhao Hongzhang，Wang Li，Zheng Aiguo
(Ningxia Orient Tantalum Industry Co.，Ltd.，Shizuishan 753000，China)

The Ti-662 alloy bars with the dimension of φ90 mm were prepared through seven fire forging by quick forging machine and radial forging machine.The influence of different deformation mode(axial repeatedly upsetting pull and commutation repeatedly upsetting pull)and heat treatment on the microstructure and properties of Ti-662 alloy bars was investigated.The results show that the lateral performance of the bars forged by commutation repeatedly upsetting pull is better than the bars forged by axial repeatedly upsetting pull，and there is no obvious difference between longitudinal and lateral performance.Besides，by the heat treatment experimental comparison，the best combination of strength and ductility can be obtained by the condition of 880℃ ×1 h/WC+600℃ ×4 h/AC，the longitudinal and lateral mechanical properties can both meet the standard requirement of MIL-T-904.And the bars can achieve the quality requirements of AMS 2631B A1 level by the ultrasonic flaw detection.

Ti-662 titanium alloy;rods;forge;heat treatment;microstructure;mechanical properties

2012－11－02

胡晓晨(1984—)，男，助理工程师。