β退火对Ti-6Al-4V ELI民用飞机大型模锻件组织和性能的影响

黄立军　高　蕾　罗恒军　曾　菁　莫安军

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)



试验研究

β退火对Ti-6Al-4V ELI民用飞机大型模锻件组织和性能的影响

黄立军高蕾罗恒军曾菁莫安军

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)

摘要：采用Ti-6Al-4V ELI大规格棒料，经多次制坯、多次锻造试制了某民用飞机用大型接头模锻件。该锻件经β退火得到了均一的魏氏组织，晶内片层组织较细小，力学性能较好。

关键词：Ti-6Al-4V ELI；大型模锻件；β退火；组织；力学性能

钛合金因其比强度高、耐热、耐低温、抗腐蚀性能好、导热系数小、无磁性、超导性能、记忆性能、贮氢性能等优点，被称为继钢铁、铝之后的21世纪最有发展前景的第三金属[1]。

Ti-6A1-4V(TC4)合金作为世界第一个实用性钛合金，自1954年被美国研制成功以来，经过半个世纪的发展，现在已经成为钛合金中使用最广泛、最成熟的两相合金，其合金用量占钛材用量的80%[2]。现代飞机设计中，为了实现减轻质量、提高性能和节约成本等目的，在满足安全使用的前提下，引入了“损伤容限”的设计[3]。Ti-6Al-4V ELI即损伤容限型的Ti-6Al-4V，该材质在美国已广泛应用于军用和民用飞机，国内类似牌号TC4-DT，后者是我国在“十五”期间由西北有色金属研究院和北京航空材料研究院研制，具有完全自主知识产权，其化学成分、力学性能与Ti-6Al-4V ELI相当[3-5]。

目前，Ti-6Al-4V ELI(TC4-DT)在我国军用航空领域上应用较多，在民用航空领域尤其是大型锻件上的应用少见报道。本文从工厂实际应用的角度出发，以某型民用飞机用大型接头模锻件(简称锻件)为试制对象，该锻件轮廓尺寸3 065 mm×525 mm×228 mm，截面形状较复杂，有效厚度达165 mm，研究了β退火对其组织和性能的影响。

1试验材料及方法

1.1试验材料

原材料采用西部超导公司按美标生产的∅450 mm大规格棒料，该棒料经过三次VAR同时经开坯、墩拔、加工后得到，其化学成分以及相变点见表1。

表1　TI-6AL-4V ELI棒材化学成分(质量分数，%)及相变点Table 1　Chemical composition of Ti-6Al-4V ELI bar(mass fraction,%)and its phase transformation point

棒料的原始组织如图1所示，为典型的双态组织，分布有大小不一的等轴α相，并伴有部分拉长α相，从棒料边缘到棒材中心，α相含量由约60%逐渐增多至约80%，总体较均匀。

1.2试验过程

(a)棒料边缘　　　　　　(b)棒料1/2半径　　　　　　　(c)棒料中心

图2　TI-6AL-4V ELI锻件Figure 2　Ti-6Al-4V ELI forging

表2　TI-6AL-4V ELI锻件热处理制度Table 2　The heat treatment process of Ti-6Al-4V ELI forging

棒料经锯床下料、自由锤锻多次制坯、模锻压机多次锻造得到最终锻件(见图2)，随后采用箱式电阻炉对锻件进行β退火(热处理制度见表2)，最后切取锻件进行组织和性能检验。

1.3试验方法

氢含量测试在RH600定氢分析仪上进行。采用∅6 mm的试样，在INSTRON 8802、MTS CMT5305型材料拉伸试验机上进行拉伸性能试验。断裂韧性试验在INSTRON 8803材料试验机上进行。用DMI5000M Leica光学显微镜观察显微组织，金相腐蚀剂：5%HF+12%HNO3+83%H2O。

2试验结果与讨论

2.1氢含量检测

经测试氢含量为0.002 9%。一般认为，钛中的氢含量绝对不允许高于0.012 5%～0.015%，因为高于这个含量就会析出氢化物，并出现明显的氢脆现象[6]。可以看出，锻件经β退火后，锻件表层氢含量未出现超标现象。

2.2低倍组织

图3为锻件横截面宏观低倍组织照片。可以看出，整个截面组织均匀，呈现出明显的清晰晶，无冶金缺陷、偏析，为β退火后的宏观典型特征。

2.3显微组织

图3　TI-6AL-4V ELI锻件低倍组织Figure 3　Macrostructures of Ti-6Al-4V ELI forging

图4　TI-6AL-4V ELI锻件显微组织(200×)Figure 4　Microstructures of Ti-6Al-4V ELI bar(200×)

表3　TI-6AL-4V ELI锻件室温拉伸以及断裂韧性Table 3　The room temperature tensile property and fracture roughness property of Ti-6Al-4V ELI forging

图4为取自锻件横截面1/2厚度处试样的显微组织。可以看出，与原材料典型的双态组织(图1)相比，锻件经β退火后得到无初生α相的魏氏组织且整体较细。在β单相区固溶时α相溶入β相中，在随后的风冷过程中，α相在晶内和晶界呈片状或针状析出，再经普通退火后，魏氏组织趋于稳定化。

2.4拉伸以及断裂韧性

锻件室温拉伸和断裂韧性试样测试结果见表3。该结果与祝力伟等[7]在实验室条件下得到的结果相当。

2.5 讨论

通过以上结果可以看出，在TI-6AL-4V ELI大规格棒料总体组织较均匀的情况下，经制坯、改锻后得到的大型锻件有利于组织和性能的进一步优化[8]，再经β退火+普通退火后锻件发生了均一的转变，得到了典型的魏氏组织，且晶内片层较为细小，拉伸和断裂韧性结果较好。另经高温处理，锻件表面的有害元素氢含量也未见显著增加。所有理化检测结果均满足该锻件的客户标准要求。

3结论

(1)大型锻件试制时，选用较均匀的大规格棒料，再经多次制坯、改锻，有利于锻件组织和性能的优化。

(2)锻件经β退火得到了均一的魏氏组织，且组织较为细小、力学性能较好。

参考文献

[1]黄晓艳，刘波，李雪.钛合金在军事上的应用[J].轻金属，2005(9):51-53.

[2]曹春晓.我国航空用钛工业面临的21世纪的挑战[J].钛工业进展，1999(5):1-5.

[3]叶红川，王彦皓，张雪华，曲恒磊.beta相区热处理对TI-6AL-4V ELI合金板材组织和性能的影响[J].材料热处理技术，2011，40(16):179-181.

[4]史小云，高玉社，王文盛.热处理对TI-6AL-4V ELI钛合金棒材组织和力学性能的影响[J].热加工工艺，2013，42(14):163-165.

[5]李晶.曹春晓：大型飞机的选材问题[J].新材料产业，2007(10)：9-13.

[6]王金友，葛志明，周邦彦.航空钛合金的应用[M].上海科学技术出版社，1985:6.

[7]祝力伟，王新南，朱知寿.不同热处理工艺下TI-6AL-4V ELI钛合金的显微组织及力学性能[J].钛工业进展，2012，29(1):9-12.

[8]童路，朱知寿，俞汉清，王之录.TI-6AL-4V ELI钛合金自由锻件组织与性能的影响因素[J].中国有色金属学报，2010，20(1):87-90.

编辑杜青泉

Influence of β Annealing Heat Treatment on Microstructures and Properties of Ti-6Al-4V ELI Large Die Forging for Civil Aircraft

Huang Lijun,Gao Lei,Luo Hengjun,Zeng Jing,Mo An'jun

Abstract：By using Ti-6Al-4V ELI large size bar,a large joint die forging for civil aircraft has been trial-manufactured by means of multiple blanking and forging.By adopting β annealing heat treatment process,a uniform widmanstatten microstructure has been obtained in this forging as well as the finer lamellar microstructure in the crystal and the better mechanical properties.

Key words：Ti-6Al-4V ELI;large die forging;β annealing;microstructure;mechanical property

收稿日期：2016—02—25

作者简介：黄立军(1983—)，硕士，工程师，从事航空锻件热处理工艺研究等。电话：15196374808，E-mail：huanglijun@china-erzhong.com

基金项目：中国工信部重大专项项目(2012ZX04010-081)

中图分类号：TF804.3

文献标志码：A