適配航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)匣等關(guān)鍵部件的TC25G鈦合金軋制棒材組織調(diào)控與力學(xué)性能保障研究——基于雙重退火工藝改進(jìn)

TC25G鈦合金(名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si)是一種馬氏體型α+β兩相熱強(qiáng)鈦合金，通過添加高熔點(diǎn)元素(如Mo、W)顯著提升了高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，可在500~550℃下長(zhǎng)期服役，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片等高溫承力部件[1-2]。通常，鈦合金材料的力學(xué)性能高度依賴其顯微組織形態(tài)，而組織的演變與退火溫度、冷卻速率等熱處理工藝參數(shù)密切相關(guān)。

目前，針對(duì)TC25系列鈦合金的熱處理研究多集中于鍛件及板材。肖挺等[3]研究了雙重退火冷卻方式對(duì) TC25鈦合金鍛件性能的影響,發(fā)現(xiàn)空冷可平衡室溫與高溫性能;張苗等[4]通過調(diào)控TC25鈦合金板材退火溫度使其組織由等軸狀向雙態(tài)轉(zhuǎn)變，從而提升高溫抗拉強(qiáng)度。軋制棒材作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用主要材料,其加工路徑與鍛件、板材存在顯著差異,導(dǎo)致原始組織特征及后續(xù)熱處理響應(yīng)機(jī)制不同。研究表明[5],軋制棒材在熱處理過程中易出現(xiàn)初生α相過度溶解或β相粗化現(xiàn)象，造成力學(xué)性能波動(dòng)。因此，系統(tǒng)研究熱處理工藝對(duì)TC25G鈦合金軋制棒材組織與性能的影響，揭示其內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化熱處理工藝，對(duì)保障材料服役性能具有重要意義。

本研究以TC25G鈦合金熱連軋棒材為對(duì)象，通過設(shè)計(jì)不同退火溫度、保溫時(shí)間、冷卻方式的雙重退火工藝,結(jié)合顯微組織表征與力學(xué)性能測(cè)試,揭示熱處理工藝參數(shù)對(duì)其顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，為TC25G鈦合金軋制棒材的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)，保障其在航空高溫結(jié)構(gòu)件中的可靠應(yīng)用。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料為TC25G合金鑄錠，經(jīng)多火次鍛造為Φ150mm坯料后，在α+β兩相區(qū)加熱并經(jīng)熱連軋生產(chǎn)線軋制為?24mm棒材，主要化學(xué)成分見表1。采用金相法測(cè)得棒材的相變點(diǎn)T為985℃。軋制態(tài)棒材的原始組織為a+β兩相區(qū)加工組織，所有原始β晶粒均完全破碎，β轉(zhuǎn)變組織上均勻的分布著初生α相。

表1 TC25G鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Table 1 Chemical composition of the TC25G titanium alloy(mass fraction，%)

在軋制棒材上取L=150mm試樣,利用RX-160kW箱式電阻爐(控溫精度±3℃)按照表2中的熱處理制度進(jìn)行雙重退火處理。依據(jù)GB/T5168-2020《鈦及鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》,采用Axiovert 200MAT金相顯微鏡分析顯微組織。將試樣加工成R7標(biāo)準(zhǔn)試樣,依據(jù)GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,利用CMT5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能。

表2雙重退火工藝方案

Table 2 Double annealing process scheme

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1一次退火溫度對(duì)組織與性能的影響

TC25G合金軋制棒材在920~985℃x1h,空冷(AC)一次退火+550℃x4h,空冷二次退火后的顯微組織如圖1所示,相應(yīng)的初生α相含量變化如圖2所示。

圖3為TC25G合金軋制棒材在920~985℃x1h，AC一次退火+550℃x4h,AC二次退火后的室溫力學(xué)性能。由圖3可知，隨著一次退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈先下降再上升的變化趨勢(shì)，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率總體呈下降趨勢(shì)，沖擊吸收能量呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。在940℃進(jìn)行一次退火后，抗拉強(qiáng)度為1099 MPa(指標(biāo)要求≥1050 MPa),斷面收縮率58%(指標(biāo)要求≥20%),沖擊吸收能量31.5J(指標(biāo)要求≥24J),合金的強(qiáng)度、塑性及沖擊性能匹配良好，且均能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

雙重退火是通過分階段溫度調(diào)控α相和β相的形態(tài)、尺寸及分布，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度、塑性和韌性的協(xié)同優(yōu)化。一次退火通過調(diào)控初生α相和次生片狀α相的比例，從而改變合金的性能。退火溫度越高，初生α相含量就越少，由β轉(zhuǎn)變成的次生α相含量就越多[6]。在920~955℃退火時(shí)，隨著退火溫度的升高，初生α相含量減少，α相尺寸變大，細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱，因此材料的抗拉強(qiáng)度下降。同時(shí)，隨著退火溫度的升高，次生α相含量增加，β相中出現(xiàn)了較多的次生α條束，條間界面阻礙了位錯(cuò)的滑移和裂紋的擴(kuò)展，因此材料的塑性下降。在970~985℃退火時(shí)，由于退火溫度接近相變溫度，等軸初生α相幾乎消失，形成粗大針狀組織(見圖2(d，e)),呈現(xiàn)β單相區(qū)與α+β雙相區(qū)臨界轉(zhuǎn)變組織的典型特征[7]。由于針狀a集束長(zhǎng)寬比增大，從而通過界面強(qiáng)化提高了強(qiáng)度，但界面應(yīng)力集中導(dǎo)致塑性和韌性惡化，因此材料的強(qiáng)度升高，但塑性和韌性降低。

2.2一次退火冷卻方式對(duì)組織與性能的影響

TC25G合金軋制棒材在940℃保溫1h,分別以空冷(AC)、油冷(OC)和水冷(WC)的冷卻方式一次退火后，再經(jīng)550℃x4h，AC二次退火后的顯微組織如圖4所示。由圖4可知，不同方式冷卻下合金中的初生α相含量基本相同，均在20%左右。隨著冷卻速度的增加AC<OC<WC合金中發(fā)生了馬氏體相變,出現(xiàn)了六方馬氏體或斜方馬氏體[8-9]。空冷后的顯微組織為初生α相+β轉(zhuǎn)變組織,如圖4(a)所示。油冷及水冷條件下顯微組織為初生α相+亞穩(wěn)態(tài)β相，如圖4(b，c)所示。

圖5為一次退火后不同冷卻方式下TC25G合金的室溫力學(xué)性能。由圖5可以看出，隨著冷卻速度的增加,合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均逐漸升高,如圖5(a)所示。一次退火采用空冷方式冷卻時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度為1099 MPa,采用水冷方式冷卻時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度提升至1557 MPa,強(qiáng)度提高了約42%。隨著冷卻速度的增加，合金的塑性及韌性均呈下降趨勢(shì)，如圖5(b)所示。這是因?yàn)榭焖倮鋮s會(huì)抑制β→a轉(zhuǎn)變,促進(jìn)亞穩(wěn)β相的形成，同時(shí)提高位錯(cuò)密度并形成高密度相界面，這些因素共同增強(qiáng)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高合金強(qiáng)度，但亞穩(wěn)相固有的低滑移系、高界面應(yīng)力集中及位錯(cuò)纏結(jié)則顯著降低塑性變形能力和裂紋擴(kuò)展阻力，因此合金的塑性和韌性降低。

2.3二次退火溫度對(duì)組織與性能的影響

TC25G合金軋制棒材經(jīng)940℃x1h,AC一次退火后在530~630℃x4h,AC二次退火后的顯微組織如圖6所示。由圖6可知，合金經(jīng)過不同溫度二次退火后的顯微組織均為雙態(tài)組織,初生α相含量均在20%左右，說明α相含量取決于一次退火溫度的高低。隨著二次退火溫度的升高，初生α相尺寸略有增大，β相中次生a片層的寬度略微增加。另外，TC25G合金棒材在一次退火過程中大部分初生α相完成向β相轉(zhuǎn)變,之后空冷形成初生α+β轉(zhuǎn)變組織+亞穩(wěn)態(tài)β相,亞穩(wěn)態(tài)β相在熱力學(xué)上為不穩(wěn)定組織,在二次退火時(shí)會(huì)發(fā)生分解形成α2相,該相會(huì)對(duì)合金的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

TC25G合金軋制棒材試樣經(jīng)940℃x1h,AC一次退火和530~630℃x4h,AC二次退火后的力學(xué)性能如表3所示。由表3可以看出，隨著二次退火溫度的升高，合金的強(qiáng)度先降低后升高，而韌性和塑性先升高后降低，570℃二次退火時(shí)的強(qiáng)度最低，沖擊吸收能量最高。雙態(tài)組織的TC25G鈦合金的力學(xué)性能與初生α相的晶粒尺寸、β轉(zhuǎn)變組織中片層的寬度以及組織中α2相的含量密切相關(guān)[10]。在530~570℃二次退火時(shí)，隨著退火溫度的升高，初生α相的晶粒尺寸變大、β相中次生α片層的寬度增加,導(dǎo)致棒材的強(qiáng)度下降，沖擊性能提高。在570~630℃二次退火時(shí)，由β相中析出α2相含量的增加產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化作用顯著增加，從而導(dǎo)致強(qiáng)度升高，韌性和塑性下降。綜合考慮合金的強(qiáng)塑性及韌性匹配,選定940℃x1h,AC+570℃x4h,AC雙重退火制度為TC25G合金軋制棒材的最佳熱處理工藝。

表3 940℃一次退火1h,空冷+不同溫度二次退火后TC25G鈦合金的力學(xué)性能

Table 3 Mechanical properties of the TC25G titanium alloy after first annealing at 940℃ for 1 h, air cooling and second annealing at different temperatures

3、結(jié)論

1)TC25G鈦合金軋制棒材經(jīng)920~985℃x1h,空冷+550℃x4h,空冷的雙重退火處理后,隨著一次退火溫度的升高,合金中等軸α相含量減少,抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度先降低后升高，沖擊吸收能量先升高后降低。

2)940℃x1h一次退火后采用空冷、油冷和水冷的方式進(jìn)行冷卻時(shí),合金中初生α相含量基本不變,均為20%左右。隨著冷卻速度的增加,合金中發(fā)生了馬氏體相變，強(qiáng)度升高而塑性及沖擊性能降低。

3)隨著二次退火溫度在530~650℃范圍內(nèi)增加,合金中初生α相尺寸及β相中次生α片寬度略微增加，強(qiáng)度先降低后升高，沖擊性能先升高后降低。

4)合金經(jīng)940℃x1h,空冷+570℃x4h,空冷雙重退火處理后,可獲得較佳的強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度1075 MPa,屈服強(qiáng)度950MPa)、塑性(伸長(zhǎng)率20.0%,斷面收縮率58%)和韌性(沖擊吸收能量34.5J)匹配。

參考文獻(xiàn):

[1]魏壽庸，王青江，何瑜，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用BT25和BT25y熱強(qiáng)鈦合金評(píng)述[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2013，30(4):9-14.

Wei Shouyong, Wang Qingjiang, He Yu, et al. Review of BT25 and BT25y titanium alloys for aero-engine[J]. Titanium Industry Progress,2013，30(4):9-14.

[2]黃旭，朱知壽，王紅紅.先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[3]肖挺，馬斌，宣航.一次退火冷卻方式對(duì)TC25鈦合金鍛件組織與性能的影響[J].金屬熱處理,2024,49(10):118-120.

Xiao Ting, Ma Bin, Xuan Hang. Effect of first annealing cooling method on microstructure and properties of TC25 titanium alloy forgings[J]. Heat Treatment of Metals, 2024, 49(10): 118-120.

[4]張苗，強(qiáng)剛剛，關(guān)向東.退火溫度對(duì)TC25鈦合金板材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2024,41(3):24-28.

Zhang Miao, Qiang Gannggang, Guan Xiangdong. Effect of annealing temperature on microstructure and mechanical properties of TC25 titanium alloy plate[J]. Titanium Industry Progress,2024,41(3):24-28.

[5]王曉巍，董宇，王德勇.退火對(duì)TC25G鈦合金組織和性能的影響[J].金屬熱處理，2023，48(6):74-79.

Wang Xiaowei, Dong Yu, Wang Deyong. Effect of annealing on microstructure and mechanical properties of TC25G titanium alloy[J].Heat Treatment of Metals, 2023, 48(6):74-79.

[6]王曉燕，郭鴻鎮(zhèn)，姚澤坤.雙重退火對(duì)TC18鈦合金等溫鍛件組織性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2009，30(1):100-103.

Wang Xiaoyan, Guo Hongzhen, Yao Zekun. Effect of duplex annealing on microstructure and properties of TC18 titanium alloy isothermally forged[J].Transactions of Materials and Heat Treatment,2009,30(1):100-103.

[7] Gerhard W, Boyer R R, Collings E W. Materials Properties Handbook:Titanium Alloys[M]. ASM International,1994.

[8]王媛，董健，關(guān)玉龍，等.TC25合金板材的熱處理工藝[J].金屬熱處理，2016，41(1):94-96.

Wang Yuan, Dong Jian, Guan Yulong, et al. Heat treatment process of TC25 alloy sheets[J]. Heat Treatment of Metals,2016,41(1):94-96.

[9]史小云，張曉園，尚金金，等.熱處理方式對(duì)TC25鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014，28(S1):417-418.

Shi Xiaoyun, Zhang Xiaoyuan, Shang Jinjin, et al. Effect of heat treatment mode on microstructure and mechanical property of TC25 titanium bar[J]. Materials Reports,2014,28(S1):417-418.

[10]周韜宇.α+β相區(qū)熱機(jī)械加工對(duì)TC25G鈦合金組織與性能影響研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2023.

Zhou Taoyu. Effects of thermal-mechanical processing in the α+β dual phase region on microstructures and mechanical properties of the TC25G titanium alloy[ D]. Hefei: University of Science and Technology of China,2023.

（注，原文標(biāo)題：雙重退火工藝對(duì)TC25G鈦合金軋制棒材組織與性能的影響）