Ti-6242S钛合金φ265 mm棒材的组织与性能

供稿|岳旭，马龙，胡亚歌，马宝军，张平辉，郭佳林，李渭清 / YUE Xu, MA Long, HU Ya-ge, MA Bao-jun, ZHANG Ping-hui, GUO Jia-lin, LI Wei-qing

Ti-6242S钛合金名义成分为Ti-6Al- 2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，属于近α型钛合金。具有高强度、高韧性和良好的抗蠕变性能，主要用于制作航空发动机的风扇圆盘、压气机盘、叶片和机匣等。随着大型飞机工程用钛量不断增加，为提高飞机燃油经济性，减少碳排放及噪音污染要求原始设备制造商们生产更高涵道比的发动机，飞机用钛合金锻件的尺寸和重量也日益增加[1-3]。为满足飞机制造业的发展，宝钛股份有限公司经过多年的研究，采用万吨自由锻造机、3150 t水压机和2500 t快锻机，研制开发了直径为265 mm的Ti-6242S钛合金高性能棒材，满足航空制造业的需求。本文主要介绍了Ti-6242S钛合金φ265 mm规格棒材的组织、室温、高温力学性能和超声波探伤水平。

生产工艺及实验方法

实验使用宝钛股份有限公司采用三次真空自耗电弧炉(VAR)熔炼的φ720 mm Ti-6242S钛合金工业铸锭，其主要成分为(质量分数/%)：Ti(Bal.)；5.5%~6.5%Al；1.8%~2.2%Sn；3.6%~4.4%Zr；1.8%~2.2%Mo；0.06%~0.1%Si，符合相关技术标准的要求。由金相法测得α+β/β相转变温度为990~1010℃。铸锭开坯阶段，在β相区采取逐级降温的加热方式，经万吨压机，3150 t水压机和2500 t快锻机多火次镦拔变形，总锻比大于15。保证坯料在β相区经过充分的变形，经过破碎和初次再结晶细化晶粒。棒材的中间锻造和成品锻造在α+β两相区进行多火次镦拔变形，并采用高—低—高锻造工艺，总锻比大于18，使晶粒充分破碎和均匀，生产为φ265 mm规格的成品棒材。

棒材在法国MATELSCAN公司生产的自动探伤设备上进行超声波无损检测。在棒材本体上切取试验用料，检测棒材的组织及力学性能。在OLYMPUS GX71型金相显微镜上进行显微组织观察，拉伸实验在德国的Zwick万能试验机上进行，蠕变性能在SANS-GWT105高温蠕变持久试验机上进行。

图1 棒材不同部位的锻态显微组织(100×) 。a1: 边部纵向；a2：D/4处纵向；a3：心部纵向；b1：边部横向；b2：D/4处横向；b3：心部横向

组织与性能

不同部位的显微组织

◆ 锻造态显微组织

棒材不同部位的锻态显微组织如图1。从图1中可以看到，经过单相区和两相区的多火次变形，原始β晶粒得到充分的破碎，经过重复再结晶，棒材显微组织为β基体上均匀分布的不同尺寸的等轴α组织。棒材不同部位横、纵向的锻态显微组织差别不大。但是，由于规格原因，棒材外表面和心部的变形量、变形温度和冷却方式存在一定差异，导致棒材边部和心部初生α等轴化程度、含量形状稍有差别。由于外表面变形较为充分，变形均匀性好，所以边部初生α等轴化程度较好，分布均匀。而棒材心部冷却速度较慢，α相有较多的时间和能量进行再结晶长大，所以初生α含量较边部多。总体来看，棒材不同部位和方向的组织状态较为均匀。

◆ 热处理后的显微组织

热处理制度对Ti-6242S钛合金的组织状态和相比例有较大的影响[4]，选择合理的热处理制度，通过改变初生α相的含量和次生α相的比例及形状，可实现不同力学性能的合理匹配。图2为棒材经不同固溶温度和相同时效温度热处理后的显微组织。由图2可看出，固溶温度对Ti-6242S钛合金初生α含量有较大的影响，在本实验选择的温度内，随着固溶温度的升高，初生α含量迅速减少。在α+β/β相转变温度以下10℃进行固溶并时效后，初生α含量不足10%(图2a)，并且已经开始形成β晶界，初生α相主要分布在三叉晶界上，这种组织可以获得较好的抗蠕变性能和疲劳扩展抗力，但是塑性较差；在α+β/β相转变温度以下50℃进行固溶并时效后，初生α含量约为60%(图2c)。较多的初生α含量，可保证棒材具有较高的热稳定性能和塑性，但等轴α含量过多对材料的抗蠕变性能不利。这是由于钛合金的抗蠕变能力与组织中的等轴α相和魏氏α相的相对含量有关，蠕变性能随着初生α含量的增加而降低[5-6]。据相关文献报道，20%的等轴α相就可满足材料的塑性要求，增加条状次生α相含量可以起到强化作用[7]。为保证室温力学性能和高温性能的合理匹配，本文选择的热处理制度为970℃/1h·风冷+593℃/8h·空冷，该热处理制度下的显微组织中初生α含量约为35%的双态组织，见图2(b)。

力学性能

◆ 不同部位室温力学性能

在棒材不同部位切取横、纵向拉伸试样，经970℃/1h·风冷+593℃/8h·空冷热处理后，检测室温拉伸性能。实验结果见表1。每组取两个试样，表中数据为两个实验数据的平均值。由表1可看出，棒材室温抗拉强度为1030 MPa左右，屈服强度为920 MPa左右，伸长率约为15%，断面收缩率约为39%。棒材不同部位的横、纵向室温拉伸性能相当，均符合技术标准要求，且具有较大的富余量。说明棒材在β单相区和α+β两相区都有较为充分的变形，使棒材不同部位和不同方向组织均匀性较好，因此不同部位的室温拉伸性能差异不大。

◆ 不同温度高温拉伸性能

在棒材D/4处切取横向试样，检测棒材不同温度下的高温拉伸性能，结果见图3。可以看出：在400～600 ℃温度范围内，随着实验温度的升高，合金强度下降，塑性增加。当温度高于550 ℃时，合金强度下降较快，塑性有较大幅度的升高。从图3可以看出，Ti-6242S钛合金大规格棒材在550 ℃时，仍具有较高的强度，抗拉强度大于680 MPa。

◆ 高温蠕变性能

表2为棒材D/4处横向试样在510 ℃/241 MPa/35 h条件下的蠕变性能。由表2可见，棒材具有较好的高温抗蠕变性能，弹性延伸率为0.055%左右，满足技术标准的要求。这是因为Ti-6242S合金中高的铝当量(8.6%)和一定的Si含量(0.06%~0.1%)，使Ti-6242S钛合金在固溶时效后具有α两相沉淀析出强化和Si原子的钉扎作用，可有效减小位错攀移速率，保证合金具有良好的抗蠕变性能[8-9]。

图2 不同热处理制度的显微组织(200×) 。(a)990℃/1h·风冷+593℃/8h·空冷；(b)970℃/1h·风冷+593℃/8h·空冷；(c)950℃/1h·风冷+593℃/8h·空冷

图3 不同温度下的高温拉伸性能

表2 棒材蠕变性能(510℃/241MPa/35h)

棒材探伤水平

使用法国MATELSAN公司生产的自动探伤设备(见图4)，对棒材进行多通道分区水浸超声波无损检测，使用对比试块为φ260 mm多台阶分区试块(见图5)。

探伤结果显示，整支棒材(长度为2000~2300 mm)的底波差异小于6 dB，杂波差异小于2 dB，最大噪音高度小于Φ0.8~9 dB。无损检测技术可以保证钛合金制品的冶金和加工质量，超声探伤中的杂波水平及底波损失可起到检查钛合金组织均匀性的作用。探伤水平是钛合金组织均匀性的反映[10]。结合图1中棒材不同部位的显微组织可看出，棒材具有较佳的组织均匀性。

图4 探伤设备与棒材

图5 φ260 mm多台阶分区试块

结论

采用万吨自由锻造机、3150 t水压机和2500 t快锻机生产的Ti-6242S大规格(φ265 mm)钛合金棒材，具有较好的强度和塑性匹配，有较高的超声波检测水平，各项技术指标符合相关标准的要求，可满足航空发动机大规格锻件的使用要求。

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