陳曉志

(中國南方航空工業(yè)(集團)有限公司,湖南株洲 412002)

TC11鈦合金高溫持久性能影響因素探討

陳曉志

(中國南方航空工業(yè)(集團)有限公司,湖南株洲 412002)

TC11鈦合金制成的長拉緊螺栓經(jīng)自由鍛造后進(jìn)行雙重退火熱處理,取零件加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行高溫持久性能試驗不合格,本文從熱處理工藝機理、TC11鈦合金雙重退火后的顯微組織對比及返修試驗分析了影響TC11鈦合金高溫持久性能的工藝因素,為TC11鈦合金熱處理加工過程控制提供有效指導(dǎo)。

TC11鈦合金 雙重退火 熱處理 高溫持久性能

1 概述

長拉緊螺栓作為某型號航空發(fā)動機的承力件,要求在500℃以下都有很好的力學(xué)性能、韌性以及良好的耐腐蝕性能,長拉緊螺栓選用TC11鈦合金棒材鍛造加工。TC11鈦合金是一種綜合力學(xué)性能良好的α-β型雙相熱強鈦合金,在500℃以下有優(yōu)異的熱強性能(高溫強度、蠕變抗力)等,并且具有與合金鋼材相當(dāng)?shù)氖覝貜姸?該合金還具有良好的加工工藝性[1]。TC11鈦合金材料質(zhì)量輕、具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高的特點,能減輕發(fā)動機重量來提高發(fā)動機推重比,是作為航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)件的先進(jìn)材料。

2 TC11鈦合金成分與熱處理工藝

2.1 TC11鈦合金化學(xué)成分(見表1、表2)

表1 航空材料手冊要求合金成分 %

表2 TC11鈦合金材料入廠復(fù)驗成分 %

此批原材料經(jīng)復(fù)驗化學(xué)成分符合航空材料手冊要求,滿足TC11鈦合金熱處理標(biāo)準(zhǔn)加工要求。

2.2 TC11鈦合金熱處理工藝

2.2.1 TC11鈦合金雙重退火熱處理工藝制度

一次退火 950℃～980℃,1～2h,空冷；

二次退火 530℃～580℃,6h,空冷。

表3 機械性能數(shù)據(jù)

表4 機械性能數(shù)據(jù)

2.2.2 TC11鈦合金熱處理工藝機理

TC11鈦合金的組織為α＋β相,選該材料加工的長拉緊螺栓要求在高溫及長期應(yīng)力作用下組織和性能穩(wěn)定,采用雙重退火的熱處理方法。其機理為第一次高溫退火加熱溫度高于或接近再結(jié)晶終了溫度,使再結(jié)晶充分進(jìn)行,又不使晶粒明顯長大,并控制初生α相的體積分?jǐn)?shù)?？绽浜?組織還不夠穩(wěn)定,需進(jìn)行第二次低溫退火,退火溫度為低于再結(jié)晶溫度的某一溫度(約低于β相變點300～500℃),保溫較長時間,使高溫退火得到的亞穩(wěn)β相充分分解,使組織更接近平衡狀態(tài),產(chǎn)生一定程度的時效強化效果,以保證成品在長期服役過程中組織和性能穩(wěn)定[2]。

3 零件加工情況及結(jié)果

3.1 零件加工路線

選用TC11鈦合金棒材加工長拉緊螺栓的基本工藝路線如下:原材料自由鍛造熱處理(雙重退火)機械加工穩(wěn)定處理檢驗入庫此零件的驗收技術(shù)要求鍛件經(jīng)熱處理后驗收,雙重退火為工藝路線中的關(guān)鍵工序,雙重退火工藝將決定零件的各項機械性能指標(biāo)(σb、σ0．2、δ、ψ、ak、500℃高溫持久性能)和內(nèi)部顯微組織結(jié)構(gòu)。

3.2 零件雙重退火加工情況及結(jié)果

零件為鍛造桿狀,規(guī)格為φ15×242,一端墩粗為φ21×16的圓柱頭,本批零件共180件在RJX-90型箱式電阻爐中進(jìn)行雙重退火熱處理,實際加工情況為:

一次退火:965℃,保溫時間70min,空冷

二次退火:530℃,保溫時間6．5h,空冷

本批零件裝爐方式為:水平堆疊擺放3層,用專用熱處理籃裝爐加熱,出爐將零件整籃取出自然空冷。加工完后抽取兩個零件加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行理化性能試驗,其中每個零件加工成兩組試樣(即室溫拉伸、室溫U型缺口沖擊與高溫持久試樣各兩個)試驗結(jié)果如表3所示。

以上結(jié)果除500℃高溫持久性能都不符合要求外,其它項均符合要求。

4 分析與返修

所有試樣高溫持久性能項目達(dá)不到技術(shù)要求,首先對零件加工過程進(jìn)行檢查,從鍛造到退火過程的加工基本符合工藝要求。為進(jìn)一步了解原因,查閱了TC11鈦合金材料的特性,加熱溫度對材料性能敏感、熱導(dǎo)率小、熱容量大,α＋β→β轉(zhuǎn)變溫度為1000℃±20℃。TC11鈦合金的相轉(zhuǎn)變過程為從較高溫度快速冷卻獲得馬氏體α`,從較低溫度快速冷卻獲得馬氏體α``。在450℃以上加熱時α`或α``分解成α相和β相[3]。對于此材料的特點結(jié)合具體的加工過程的檢查分析,認(rèn)為裝爐量過多、零件擺放過密,一次退火出爐后零件未分散擺放導(dǎo)致冷速不夠為不合格原因。因此采取措施進(jìn)行返修試驗:原熱處理溫度工藝參數(shù)不變,在原設(shè)備中加工,設(shè)計專用工裝將零件之間保持一定間距垂直分散擺放,同時減少裝爐量,零件一次退火后出爐采用軸流鼓風(fēng)機對零件吹風(fēng)冷卻。返修后重新抽取2件零件進(jìn)行理化性能試驗,具體情況見表4、表5。

表5 TC11(500℃,590 Mpa)高溫持久性能

從上面結(jié)果看出,返修后的零件硬度、沖擊韌性、斷面收縮率均有所提高,室溫強度變化不大,延伸率略有下降,室溫機械性能變化不大。在原有熱處理工藝制度不變的條件下,采取控制零件裝爐數(shù)量、改進(jìn)零件裝爐方法、加快一次退火出爐后冷卻速度的控制措施,高溫持久性能提高很多,從之前的80h～90h提高到了最低110h以上,基本提高了30%以上,全部達(dá)到合格要求,整批零件返修后合格。為進(jìn)一步對比分析原因,分別選兩次試驗的試樣做金相顯微組織檢查如圖1、圖2所示。

圖1 持久性能t=83.8h不合格試樣500×

圖2 持久性能t=122.7h 合格試樣500×

在兩圖中組織為在轉(zhuǎn)變β相的基體上均勻分布著白色顆粒狀初生α相,在圖2中的α相比圖1中α相要細(xì)小,且大部分呈細(xì)小顆粒狀彌散分布,析出α相粒度細(xì)小且分布均勻,α相的彌散度要高,組織穩(wěn)定性好、彌散強化效果也好,結(jié)果高溫持久性能好；說明采取分散擺放裝爐、一次退火后強制風(fēng)冷提高了出爐后冷卻速度導(dǎo)致TC11鈦合金在兩相區(qū)高溫連續(xù)冷卻過程中轉(zhuǎn)變析出的α相聚集長大的條件不充分呈現(xiàn)出α相粒度細(xì)小、數(shù)量多,彌散度高的特點。從性能試驗結(jié)果與組織對比分析可知TC11鈦合金α相分散度越高、α相的粒度越小,TC11鈦合金的高溫持久性能越好。

5 結(jié)語

通過對長拉緊螺栓的熱處理加工工藝試驗與分析,對影響TC11鈦合金高溫持久性能的因素總結(jié)如下:

(1)TC11鈦合金中α相粒度越小、分散越均勻,TC11鈦合金的高溫持久性能越好；

(2)TC11鈦合金雙重退火處理時采取分散擺放裝爐、一次退火后出爐強制風(fēng)冷,析出α相粒度較小、分散度較高,則TC11鈦合金的高溫持久性能越好。

[1]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]顏鳴皋,趙進(jìn),朱之琴.中國航空材料手冊.2001:147～171.

陳曉志(1982—),男,漢族,職稱:熱處理工程師,所研究方向:金屬熱處理工藝技術(shù)工作。