TC8-1钛合金大规格棒材的研制

冯秋元，方 波，陈志勇，马宏刚，李渭清，张平辉，窦立军，王清江

(1.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)(2.中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)(3.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016)

TC8-1钛合金大规格棒材的研制

冯秋元1，方 波2，陈志勇3，马宏刚1，李渭清1，张平辉1，窦立军2，王清江3

(1.宝钛集团有限公司，陕西 宝鸡 721014)(2.中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)(3.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016)

为满足我国航空发动机对高温钛合金的需求，开展了TC8-1钛合金铸锭及其大规格棒材的研制。结果表明，研制的φ820 mm TC8-1钛合金大型铸锭成分均匀、冶金质量良好。制备的φ130～φ200 mm 大规格棒材的室温及高温力学性能、热稳定性能、持久性能、蠕变性能和显微组织均符合技术标准要求，能够满足某型号发动机用材需求，填补了国内空白。同时测定了TC8-1钛合金的线膨胀系数、热导率等物理性能数据，为该合金的应用提供参考。

TC8-1钛合金；大规格棒材；显微组织；力学性能；物理性能

0 引 言

BT8钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-0.3Si，是一种α+β型马氏体变形热强钛合金[1]，由苏联于1958年研制，并已列入ГOCT和OCT等标准，已工业化生产[2]。该合金具有良好的热稳定性、持久性能和疲劳性能，使用寿命长，可加工成棒材、锻件、模锻件以及其他形式的产品，在各种涡轮发动机上获得了广泛应用。BT8-1钛合金(名义成分Ti-6.3Al-1.2Sn-1.2Zr-3.2Mo-0.15Si)是20世纪90年代俄罗斯在BT8钛合金基础上研制的高温钛合金[3]。该合金的Al当量为7.9，Mo当量为3.2，其β稳定系数为3，可在450～500 ℃范围内使用，主要用于制造航空发动机的压气机盘和叶片[4-5]。我国于20世纪60年代就对BT8钛合金进行了实验室仿制，并将其列入当时的冶金部部颁标准，命名为TC8钛合金，且已开展了工程化研制[6-11]。

为适应我国航空工业的发展，满足飞机发动机对高温钛合金的需求，宝钛集团有限公司、中科院金属研究所等四家单位联合，在TC8钛合金的基础上共同预研了TC8系列钛合金(包括TC8、TC8-1和TC8M-1钛合金)，并由材料的使用单位制定了预研棒材的专用技术指标。本研究为该预研项目的一部分，旨在获得成分均匀的大型TC8-1钛合金铸锭，进而获得能够满足预研专用技术指标要求的大规格棒材，表征棒材的高低倍组织，室高温力学性能、无损探伤结果及物理性能，为航空发动机选材提供参考依据。

1 实 验

将海绵钛、合金添加剂等原料按TC8-1钛合金名义成分配料，在自动混布料系统上混合均匀，压制电极块，组焊，采用真空自耗电弧炉经3次熔炼试制出4.5 t的φ820 mm TC8-1钛合金铸锭。采用金相法测得铸锭的相变点。

铸锭经机加工表面处理后，在侧面头、上、中、下、底5点取样，在冒口处横截面上，按图1所示的13点取样，用化学分析法分析5点的化学成分及13点的主合金成分。

图1 TC8-1钛合金铸锭横向取样位置示意图Fig.1 Sampling positions of TC8-1 alloy ingot on transverse

铸锭在宝钛集团10 000 t快锻机上经β相区开坯锻造，再经α+β两相区锻造，锻制φ130、φ165、φ200 mm的棒材。通过合理地增加火次变形量以及采用镦拔工艺增加总变形量等工艺措施，保证棒材组织均匀性和力学性能的合理匹配。按照某型号发动机用材料技术标准要求，在相当于铸锭头部的φ165 mm TC8-1钛合金棒材横截面上取样观察高低倍组织，测试物理性能。在相当于铸锭头、尾的三种规格棒材横截面上分别切取厚度不小于20 mm的试样块，经(920～950) ℃×(1～4) h/AC+(570～600) ℃×1 h/AC热处理后，测试室、高温力学性能。为进一步评估TC8-1钛合金的高温持久性能，在φ165 mm棒材横截面上切取试样块，经热处理后机加工成持久性能测试样，在RC-0930持久试验机上，在500 ℃下分别做了应力为630、640、650、670、680、700 MPa拉断试验，记录试样的持久时间。采用该数据用Origin软件绘制该合金500 ℃持久应力-寿命曲线。

2 结果与讨论

2.1 TC8-1钛合金相变点及铸锭化学成分

TC8-1钛合金的相变点为995 ℃。TC8-1钛合金铸锭的化学成分见表1，表中数据为铸锭头、上、中、下、底5点实测数据的平均值，符合俄罗斯OCT标准要求。5点成分分析表明，铸锭合金元素含量的最大波动≤0.2%，成分较均匀。

表1 TC8-1钛合金铸锭的化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC8-1 titanium alloy ingot

铸锭冒口横截面13点主合金成分的极差如图2所示。由图2可知，Al元素最大波动为0.3%，Mo和Sn元素最大波动为0.1%，Si元素最大波动为0.03%，说明铸锭横截面上合金成分分布也比较均匀。由此可见所选用的原料，以及混料工艺和熔炼工艺可以有效控制铸锭中合金组元分布，从而保证铸锭化学成分的均匀性，满足新型航空发动机用TC8-1钛合金铸锭要求。

2.2 TC8-1钛合金棒材的组织

图3为φ165 mm TC8-1钛合金棒材的低倍组织及显微组织照片。由图3a可见，棒材的低倍组织为模糊晶，不存在偏析、夹杂等冶金缺陷，符合GJB 2218A图1中的2级标准，说明该锻造坯料在两相区获得了充分变形，且变形比较均匀，为TC8-1钛合金大规格棒材组织和性能的均匀性奠定了基础。由图3c、d可见，棒材1/2R处和边部由初生α相和β转变组织组成，初生α相等轴化良好，呈典型的锻造组织形貌。相比之下，棒材心部(图3b)的初生α相大多呈条状，部分呈等轴状，主要是由于锻造时心部变形量小、变形速度慢而使初生α相球化不充分。

图2 TC8-1钛合金铸锭横截面上主合金成分的极差Fig.2 Deviation of chemical composition of TC8-1 alloy ingot

图3 φ165 mm TC8-1钛合金棒材低倍及显微组织照片Fig.3 Macrostructure and microstructures of φ165 mm TC8-1 titanium alloy bar

2.3 TC8-1钛合金棒材的力学性能

2.3.1 室温和高温力学性能

表2为不同规格TC8-1钛合金棒材的室温和高温

力学性能。由表中数据可知，不同规格棒材的力学性能均达到或优于BT8-1钛合金的性能水平，并满足技术标准要求，说明所采用的加工工艺是合适可靠的。

表2 TC8-1钛合金棒材的室温和高温力学性能Table 2 Room and high-temperature mechanical properties of TC8-1 titanium alloy bars

注：表中数据为研制单位测试及用户复验4个数据的平均值。

2.3.2 热稳定和持久性能

表3为不同规格的TC8-1钛合金棒材的热稳定性能和持久性能测试结果。由表中数据可知，不同规格的棒材经500 ℃×100 h热暴露后，其室温塑性与标准值相比富余量较大，说明棒材具有良好的热稳定性。图4为φ165 mm TC8-1钛合金棒材在500 ℃的持久应力-寿命曲线。由图可见，拟合的持久方程为lgσ=2.901 7-0.041 4lgτ，决定系数为0.75；当>应力为657 MPa时，TC8-1钛合金棒材的持久寿命可达100 h，远高于技术标准要求的应力为510 MPa时持久寿命大于等于50 h。这表明φ165 mm TC8-1钛合金棒材具有较好的持久性能。

表3 TC8-1钛合金棒材的热稳定和持久性能Table 3 Thermal stability and stress rupture properties of TC8-1 titanium alloy bars

注：表中数据为研制单位测试及用户复验4个数据的平均值。

图4 φ165 mm TC8-1钛合金棒材500 ℃持久应力-寿命曲线Fig.4 Endurance stress-life curve of φ165 mm TC8-1 titanium alloy bar at 500 ℃

2.3.3 高温蠕变性能

表4所示为不同规格的TC8-1钛合金棒材在500 ℃、250 MPa轴向应力作用下，经100 h后的高温蠕变性能测试结果。由表中数据可知，不同规格的棒材残余蠕变变形量均小于0.2%，满足技术标准要求，说明TC8-1钛合金具有良好的高温蠕变性能。

表4 TC8-1钛合金棒材的残余变形(εp/%)Table 4 Residual deformation of TC8-1 titanium alloy bars

注：表中数据为研制单位测试及用户复验4个数据的平均值。

由棒材的力学性能测试数据及分析可知，TC8-1

钛合金具有较佳的热强性与热稳定性的匹配，可用于制作高压压气机盘、环形件和前轴等，能够满足新型航空发动机用材需求。

2.4 TC8-1钛合金棒材的无损检测

采用接触法测得φ130 mm和φ165 mm TC8-1钛合金棒材的杂波水平为φ1.2-9 dB，满足GB/T 5193—2007标准中的A1级质量要求；φ200 mm棒材的超声波探伤结果为半声程杂波水平φ1.2-12 dB。超声波探伤结果表明，不同规格的TC8-1钛合金棒材的组织均匀性和冶金质量良好。

2.5 TC8-1钛合金棒材的物理性能

TC8-1钛合金的密度为4.436 g/cm3。表5～7为TC8-1钛合金在不同温度下的线膨胀系数、热导率、比热容、热扩散率和弹性性能测试结果。

由表中数据可以看出，TC8-1钛合金的线膨胀系数、热导率和比热容随温度升高逐渐增大，而弹性模量和切变模量则随温度升高逐渐减小。

表5 TC8-1钛合金不同温度的线膨胀系数Table 5 Linear expansibility of TC8-1 titanium alloy at different temperatures

注：400 ℃以下数据仅供参考；基准温度为21.0 ℃；升温速率为3 ℃/min。

表6 TC8-1钛合金不同温度的热导率、比热容和热扩散率Table 6 Heat conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity of TC8-1 titanium alloy at different temperatures

表7 TC8-1钛合金不同温度的弹性性能Table 7 Elastic property of TC8-1 titanium alloy at different temperatures

注：升温速率为3～5 ℃/min；测试气氛为高真空。

3 结 论

(1)采用真空自耗电弧3次熔炼在国内首次研制出化学成分满足OCT标准要求的φ820 mm TC8-1钛合金铸锭，且铸锭各部位化学成分均匀，冶金质量良好。

(2)通过多火次锻造工艺和合适的热处理制度，试制出φ130～φ200 mm的TC8-1钛合金棒材。

(3)试制的TC8-1钛合金棒材的显微组织及室温、高温力学性能均满足技术标准要求，并达到或优于BT8-1钛合金性能水平。

(4)TC8-1钛合金的线膨胀系数、热导率和比热容随温度升高呈增大趋势，而弹性模量和切变模量则随温度升高呈下降趋势。

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2014年中国钛、锆产品进出口统计

(郭薇供稿)

Preparation of TC8-1 Titanium Alloy Large-sized Bars

Feng Qiuyuan1, Fang Bo2, Chen Zhiyong3, Ma Honggang1, Li Weiqing1, Zhang Pinghui1, Dou Lijun2, Wang Qingjiang3

In order to meet the need for high temperature titanium alloy used in aero-engine, the research on TC8-1titanium alloy ingot and its large-sized bars had been carried out. The results show that the ingredients of large ingot are uniform and the ingot has good metallurgic quality. The properties of large-sized bars, such as room and high temperature mechanical properties, thermal stability, stress rupture properties, creep properties and microstructure can meet the requirements of technical standards and material need for engine. This investigation fills up the blank in China. Meanwhile, in order to provide a reference for the application of this alloy, the data of physical performance of TC8-1 titanium alloy, such as the coefficient of linear expansion, thermal conductivity and so on are also provided.

TC8-1 titanium alloy; large-sized bar; microstructure; mechanical properties; physical performance

2014-04-28

冯秋元(1974—)，男，高级工程师。

(1.Baoti Group Co., Ltd.,Baoji 721014, China)(2.AVIC Shenyang Liming Aeroengine (Group) Co., Ltd., Shenyang 110000, China)(3.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)