基于产业化应用的Ti-6242合金锻件强度与组织和化学成分之间的关系

李晓强 王周田 史栋刚 邓 肯 张 昕

(1．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； 2.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海200241)

Ti-6242合金的名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr- 2Mo，属于Ti-Al-Mo系的近α高温钛合金，最高使用温度可达550℃左右，国内牌号为TA19[1]。其中Al、Sn、Zr等为α相稳定性元素，加入合金中起到固溶强化作用；Mo为β相稳定性元素，目的在于增强合金高低温强度及热稳定性[2]。该合金具有良好的高温力学性能，被广泛应用于航空发动机压气机盘环部件，是国内外先进航空发动机在550℃以下被首选的钛合金之一[3-4]。

近年来，Ti-6242合金因国内工程化应用而被广泛研究，李军帅等人[5]利用Gleeble-3800对Ti-6242合金进行了热模拟压缩试验，给出了该合金最佳变形温度1000～1050℃，应变速率0.1 s-1左右；雷锦文等人[6]通过研究加热温度对Ti-6242合金小规格棒材组织及性能的影响规律，使初生相含量降低，棒材的杂波水平提高；黄立军等人[7]利用锤锻和压机锻两种方式试制了Ti-6242饼坯和盘形锻件，凸显了压机锻方式的先进性。尽管从材料特性、棒材制备和锻件研制等方面探索了Ti-6242合金热成形规律，也试制了小规格或缩比件，使Ti-6242合金走出了实验室，迈入了工程化，但在产业化生产方面Ti-6242盘环锻件质量问题依然突出。本文将结合Ti-6242合金锻件的实际生产情况，着眼于锻件强度与组织、化学成分之间的关系，分析产业化层面强度达标的初生α相和元素含量的窄范围，为企业生产Ti-6242合金盘形锻件提供参数指导，以提升该合金产品质量合格率和批次稳定性。

1 研制材料及方法

1.1 研制材料

先后采购4批次∅230 mm规格的单倍尺Ti-6242棒材。入厂复验结果表明：材料性能满足锻件要求使用的棒材技术标准，棒材的原始组织属于由白色颗粒的等轴α相和交错分布的细条转变β基体构成的典型双态组织。棒材晶粒经过单相区大变形而破碎，经两相区多火次充分镦拔而均匀，检查头尾横截面的显微组织，发现由表及里较为细密均匀。4批次Ti-6242棒材组织状况对比而言，前3批次材料组织细密度不高，但比第4批材料组织的均匀程度高。

1.2 研制过程

棒材经平头倒角后加热至相变点以下50～30℃，在16 MN快锻机上进行N火次单向镦拔，加热温度要求由高至低逐步过渡，并且最后1火的加热温度为相变点以下40～30℃，从而获得下一工序模锻所用饼坯。对饼坯进行检测和必要加工后加热至相变点以下40～30℃，以200 MN压机作为主锻设备，在既定模具型腔中缓慢压制成形，按相变点以下15～25℃固溶+595℃时效进行热处理，水浸超声检测后从固定位置处切取试样进行组织和性能检测。4批次锻件经完全相同的锻造、热处理、水浸无损检测、取试检测方法和顺序进行研制，且每批次中各解剖1件进行全面性能评估，其余各件均带有表征本体性能的试环。

表1 室温拉伸性能Table 1 Tensile properties at room temperature

表2 480℃拉伸性能Table 2 Tensile properties at 480℃

表3 4批次棒材的主要化学成分(质量分数，%)Table 3 The main chemical compositions of four batches of bars(mass fraction,%)

1.3 研制方法

采用LS-200LP型号超声检测仪进行水浸法超声检测，采用OLYMPUS GX51光学显微镜进行显微组织捕获并测定组织中初生α相含量，采用INSTRON 5887、INSTRON 0992型材料拉伸试验机进行室温和高温拉伸性能测试。

2 试验结果

室温拉伸性能检测结果见表1，480℃拉伸性能检测结果见表2。

3 分析讨论

3.1 元素含量对合金锻件高低温强度的影响

钛金属本身强度不高，合金化元素的加入提高了强度，加之密度低、耐腐蚀、综合性能优异得以广泛工程化应用。强度指标受合金化元素的影响较大，4批次棒材的主要化学成分见表3。

由表3可见，4批次原材料的化学成分均在标准范围之内，但前3批次棒料的化学元素成分更接近标准范围的上线，即第4批次原材料在合金化程度上不高，具体差异体现在Al、Sn、Mo、O含量上，而恰恰这4种元素均有着不同程度的合金强化作用。对于Ti-6242合金而言，其中的Al元素属于α相稳定元素，能提高钛合金的高温力学性能，并且在铝含量高于4%时，强度的提高值更为明显，而第4批次棒料的Al元素含量较前3批次棒料低约0.10%，略微的差异将对强度产生不小的影响；其中的Sn和Zr属于中性元素，起强化作用，按照原子百分比含量，Sn比Zr的强化效果更大，因此第4批次棒材Sn元素含量偏低也是其锻件整体强度下降的原因之一；其中Mo作为β同晶元素，固溶强化β相，起强化作用。在β同晶元素中，Mo是使β转变温度降低得最多的元素，所得组织的稳定性好且不会发生共析反应而使合金在一定条件下变脆；其中第4批O含量降低约0.03%，而研究表明：加入0.05%的O，能使钛的抗拉强度提高约6 MPa，并且根据氧含量的铝当量经验公式：%Al+13%Sn+ 16%Zr+10%O，氧对铝当量的贡献值最大，即氧元素含量对强度影响显著[8-9]。综上所述，Al、Sn、Mo、O作为Ti-6242合金的主要合金化元素，对合金特性影响颇大，而第4批4种元素含量普遍降低，直接导致第4批盘形锻件的整体强度下降。

3.2 初生α相含量对Ti-6242合金锻件高低温强度的影响

虽然组织决定性能，但组织中存在相的数量、形态、分布状况等情况，性能又有强度、塑性、韧性、稳定性等多种表征方式，两者之间的一一对应关系复杂。朱雪峰等人[10]研究结果：随着固溶温度的升高，初生α相含量减少，使得β相中析出的细小次生α相增多，从而使室温抗拉强度增大；王海等人[11]的研究结果：随着固溶温度的升高，等轴α尺寸及片层厚度的增加克服了条状α增加对强度的贡献作用，导致抗拉强度及屈服强度降低，并且固溶温度更高时，条状α尺寸的增加引起了抗拉强度和屈服强度降低。由此可见，强度会随着固溶温度的升高先增大后减低，而固溶温度直接影响着初生α相含量，即存在一个初生α相含量的合理化区间，对应着强度指标的峰值。下面在某标准要求的范围内，针对具体的Ti-6242合金盘件，寻求产业化的强度指标与组织中初生α相含量之间的量化关系。解剖件显微组织对比见表4，初生α相含量统计结果见表5。

表4 解剖件显微组织对比Table 4 The microstructures comparison of anatomical parts

表5 初生α含量统计结果Table 5 The statistical results of primary α phase contents

由表4和表5可知，第4批盘形锻件高倍组织中不同方位的初生α相含量均较前3批低，并且达到了标准要求的下线值。根据相关研究，随着固溶温度的升高，等轴α相含量减少，α相之间的间距变大，变形过程中滑移长度变大，从而室温拉伸强度降低[12-15]。四批次均采用同样的锻造工艺和热处理工艺，但第4批次锻件初生α相含量在5%～10%，本体全部为5%，高低温拉伸性能普遍偏低，并且第4批次本体所带试环(初生α相含量在5%)的高温拉伸强度也比同批次常规件试环(初生α相含量在10%)的强度低。根据4批次锻件本体及其相应试环的强度与初生α相含量统计结果可知，第4批盘形锻件高低温强度低于标准要求值跟初生α相含量过低密切相关，并且初生α相含量处于5%～10%之间，盘形锻件很难达到某标准的指标要求。

结合4批次生产情况及理化结果可知，在产业化生产Ti-6242合金锻件中，如若对合金化元素含量和初生α相含量不加以严控，在这两种影响因子叠加作用下，会导致批量化产品质量无法满足标准要求。在本次试验基础上，结合历次该合金其他外形锻件的实际情况，为使该材质锻件各项力学性能达标且有足够富裕量，应将初生α相含量调控在15%～25%为宜。

4 结论

(1)Ti-6242合金锻件的高低温强度值为其显微组织中初生α相含量和Al、Sn、Mo、O具有合金强化作用的元素对强度贡献值之和；

(2)要达到室温抗拉强度≥895 MPa和屈服强度≥830 MPa，480℃抗拉强度≥620 MPa和屈服强度≥485 MPa的要求，并有一定富裕量，应该控制锻件的初生α相含量处于15%～25%之间，并且原材料的Al、Sn、Mo、O元素含量应向技术标准范围的上限靠拢或处于上半区间。