热加工温度对Ti6242S合金小规格棒材组织及性能的影响

雷锦文，马 驰，张晓冬，孙小平，李少强，赖运金

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)(2.中航商用航空发动机有限公司，上海 201108)(3.沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110034)

热加工温度对Ti6242S合金小规格棒材组织及性能的影响

雷锦文1，马 驰2，张晓冬3，孙小平1，李少强1，赖运金1

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)(2.中航商用航空发动机有限公司，上海 201108)(3.沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110034)

采用SXP-16精密锻造机，分别以920、940、960 ℃三种不同的热加工温度将φ85 mm的Ti6242S合金棒坯精锻至φ32 mm叶片用小规格棒材。研究了三种不同热加工温度对Ti6242S合金棒材显微组织、力学性能及探伤杂波水平的影响。结果表明：随着热加工温度的提高，初生α相含量降低，等轴化提高；经过相同的热处理制度(980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC)处理后，三种不同温度热加工的棒材显微组织和力学性能相当；随着热加工温度的提高，棒材的杂波水平提高。

Ti6242S合金；热加工温度；显微组织；力学性能

0 引 言

Ti6242S合金是美国Timet公司在1974年研制成功的具有高蠕变抗力的高温钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，最高使用温度在550 ℃左右，主要用于航空发动机高压压气机盘和叶片[1-3]。在国外，尤其是欧美国家，Ti6242S合金的应用非常成熟，已成功应用于F414、F119、TRENT800等先进的军用和民用航空发动机上，是550 ℃以下压气机盘和叶片的首选钛合金材料[4-8]。从公开发表的文献[9-12]看，国内对Ti6242S合金的研究主要以热处理对组织与性能关系研究居多，而对热加工温度对组织和性能的影响研究较少，尤其是对于叶片用小规格棒材。随着我国航空工业的不断发展，对高压压气机叶片用的小规格棒材提出了更高的要求。因此，研制叶片用优质高温钛合金小规格棒材势在必行。本研究采用三种热加工温度制备Ti6242S合金棒材，对比分析了温度对棒材显微组织、力学性能及探伤杂波水平的影响，旨在为工业化生产叶片用Ti6242S合金小规格棒材的工艺制定及优化提供依据。

1 实 验

1.1 实验材料

实验材料选用西部超导材料科技股份有限公司生产的优质Ti6242S合金铸锭，其化学成分符合AMS 4975标准要求。用金相法测得该合金的α+β/β相变点为1 010～1 015 ℃。铸锭经高温开坯锻造，得到规格为φ85 mm的精密锻造用棒坯。棒坯的边缘、1/2R处和心部的锻态显微组织如图1所示，均为等轴组织。

图1 φ85 mm Ti6242S合金棒坯的锻态组织Fig.1 Microstructures of as-forged Ti6242S alloy

1.2 实验方案

采用SXP-16精密锻造机，分别以920、940、960 ℃三种不同的热加工温度将φ85 mm的Ti6242S合金棒坯精锻成φ32 mm发动机叶片用小规格棒材。在三种棒材的1/2R处，沿轴向截取金相试样和力学性能试样。金相试样尺寸为φ10 mm×10 mm，力学性能试样尺寸为φ10 mm×72 mm。采用OLYMPUS PM-T3光学显微镜观察试样的显微组织。力学性能试样经980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC热处理后，采用INSTRON5581型电子万能材料试验机进行室温和高温力学性能测试；采用RDW30100电子式持久蠕变机进行蠕变性能测试。再在室温拉伸试样上截取金相试样，对热处理态显微组织进行观察。最后采用水浸法对三种不同温度下锻造的φ32 mm小规格钛合金棒材进行超声波检验。

2 结果与分析

2.1 热加工温度对组织的影响

三种不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材的锻态显微组织如图2所示。

图2 不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材的显微组织Fig.2 Microstructures of Ti6246S alloy bars forged at different temperatures

从图2可以看出，三种不同温度下锻造的棒材显微组织均为等轴组织，只是初生α相的含量和形状略有不同。随着锻造温度的提高，初生α相含量有所降低，扭曲状α相减少，α相的等轴化程度提高。其原因是在较高的温度下进行锻造，储存在变形合金内的畸变能较高，提高了α相的动态再结晶能力，促进了扭曲状α相的再结晶球化；相反，当在较低的温度进行锻造时，在较大的变形量下，初生α相被压扁拉长，而这时因温度较低使得α相的再结晶球化能力降低，初生α相等轴化不足，见图2a。

三种不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材的热处理态显微组织如图3所示。对比图2、图3可以看出，经过热处理后Ti6242S合金棒材显微组织中α相的含量明显降低，大约在20%左右;α相的等轴化程度明显提高。这是由于经过热处理后，部分初生α相溶解在β基体中，而且α相发生静态再结晶，等轴化程度提高。整体而言，三种不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材，其锻态组织虽然不同，但经过980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC热处理后，显微组织几乎没有差异。

图3 不同锻造温度下锻制的Ti6242S合金棒材热处理后的显微组织Fig.3 Microstructures of Ti6246S alloy bars forged at different hot working temperatures after heat treatment

2.2 热加工温度对力学性能的影响

三种不同温度下锻造的棒材经过980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC热处理后，其室温拉伸、高温拉伸、蠕变性能和室温缺口应力断裂性能见表1。从表中可以看出，三种不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材，各项力学性能指标相当，全部满足标准AMS 4975《固溶和沉淀热处理Ti-6.0Al-2.0Sn-4.0Zr-2.0Mo-0.08Si钛合金棒材、线材和环材》的要求，且各项指标的富余量较大。众所周知，当合金的成分相同时，显微组织在一定程度上决定了力学性能，结合图3可以发现，三种不同温度下锻造的棒材，经过相同的热处理制度处理后显微组织差异较小，因此三种不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材的力学性能相当。

表1 不同锻造温度下制备的Ti6242S合金棒材热处理后的力学性能Table 1 Mechanical properties of Ti6242S alloy bars produced by different hot working temperatures after heat treatment

2.3 热加工温度对探伤杂波水平的影响

对三种不同温度下锻造的Ti6242S合金棒材进行水浸超声波探伤检验，实测的杂波水平如表2所示。从表2的探伤数据可以看出，随着热加工温度的提高，棒材的探伤杂波水平提高。探伤杂波水平的高低在一定程度上反映了棒材组织的均匀性程度。结合图2可以看出，精密锻造温度较低时，棒材显微组织中扭曲状α相相对较多，α相的等轴化程度略低，这在一定程度上引起了声波的衰变，使得声波穿过厚界面返回缺陷信号困难增加，从而导致棒材杂波水平降低。

表2 不同锻造温度下制备的Ti6242S合金棒材的杂波水平Table 2 Flaw detection level of Ti6242S alloy bars forged at different hot working temperatures

3 结 论

(1)分别经过920、940、960 ℃精密锻造获得的Ti6242S合金小规格棒材，其锻态显微组织随着锻造温度的提高，α相的含量降低，扭曲状α相减少，α相的等轴化程度提高。

(2)三种棒材经过980 ℃×1 h/AC+595 ℃×8 h/AC热处理后，其显微组织几乎没有差别，力学性能也相当。

(3)随着锻造温度的提高，Ti6242S合金精锻棒材的杂波水平提高。

[1]脱祥明, 彭益群, 岳耀峰. Ti6242S合金在β区的锻造工艺研究[J]. 稀有金属, 2000, 24(4):282-286.

[2]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.

[3]脱祥明, 彭益群, 岳耀峰. 热处理对Ti6242S合金显微组织和性能的影响[J]. 稀有金属, 2001, 25(4):315-319.

[4]付艳艳, 宋月清, 惠松骁,等.航空用钛合金的研究与应用进展[J]. 稀有金属, 2006, 30(6):850-856.

[5]娄贯涛.钛合金的研究应用现状及其发展方向[J].钛工业进展, 2003,20(2):9-13.

[6]McBagonluri F,Akpan E,Mercer C,et al.An investigation of the effects of microstructure on dwell fatigue crack growth in Ti-6242[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 405: 111-134.

[7]刘军.不同热处理制度下Ti6242S及Ti6242显微组织与性能关系的研究[D].西安：西安建筑科技大学, 2012.

[8]黄张洪, 曲恒磊, 邓超,等.Ti6242S合金锻件的组织和性能[J]. 热加工工艺, 2011, 40(19): 124-125.

[9]田录,吉海宾,雷家峰,等.Ti6242S合金本构关系的研究[J]. 热加工工艺,2013,42(20):97-99.

[10]王海,刘军. 固溶时效对Ti6242合金组织性能的影响[J]. 热加工工艺,2014,43(16):198-200.

[11]梁佳,于兰兰,毛小南,等.时效温度对Ti6242S合金组织与性能的影响[J]. 铸造技术,2012(7):796-798.

[12]王琛,毛小南,韩栋,等.热处理对Ti6242S合金组织和性能的影响[J]. 金属热处理,2012(8):33-35.

国内外新闻

Effect of Hot Working Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of Ti6242S Small Bars

Lei Jinwen1, Ma Chi2, Zhang Xiaodong3, Sun Xiaoping1, Li Shaoqiang1, Lai Yunjin1

(1.Western Superconducting Technologies Co., Ltd.,Xi’an 710018,China)(2.AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., Shanghai 201108,China)(3.Shenyang Aircraft Industry Corporation,Shenyang 110034，China)

The Ti6242S titanium alloy bars were prepared by SXP-16 precision forging machine from diameter of 85 mm to 32 mm at temperature of 920 ℃,940 ℃ and 960 ℃.The effects of hot working temperature on microstructure, mechanical properties and flaw detection level of the Ti6242S titanium alloy bars were investigated. The result show that the volume fraction of the primaryαphase decreases with the increase of the hot working temperature, but the equiaxial level ofαphase is improved. The microstructures and mechanical properties of the bars have little change under the same heat treatment. The flaw detection level of Ti6242S titanium alloy bars raises with the increase of the hot working temperature.

Ti6242S alloy；hot working temperature；microstructure；mechanical properties

2014-10-12

国家国际科技合作专项(2013DFR50090)；陕西省

雷锦文(1982—)，男，工程师。

科技统筹创新工程计划项目(2013KTLM-01)