蔣紀新，張 偉，孫虎代，魏高艷，陶海林

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

1 前言

BT8是一種Ti-Al-Mo-Si系變形熱強鈦合金，是蘇聯(lián)在20世紀50年代末為滿足設(shè)計高性能航空發(fā)動機的需求而研制的。該合金具有熱強度高、熱穩(wěn)定性好、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種渦輪發(fā)動機中。20世紀90年代，俄羅斯改進了BT8鈦合金，研制出BT8-1鈦合金。BT8-1鈦合金（名義成分為Ti-6.3Al-1.2Sn-1.2Zr-3.2Mo-0.15Si）鋁、鉬當量分別為7.9和3.2，應(yīng)用溫度范圍為450℃～500℃。為了保證合金具有更好的加工性能，俄羅斯又在BT8-1合金的基礎(chǔ)上，研制出了可在室溫下加工變形（鐓粗40%）的BT8M-1合金，其主要用于制造發(fā)動機的盤和葉片，在450℃～500℃長期工作時間可達1000h以上[1]。

為適應(yīng)航空工業(yè)的發(fā)展，滿足航空發(fā)動機對高溫鈦合金的需求，我國對BT8系列（BT8、BT8-1和BT8M-1）鈦合金進行了仿制，研制的TC8系列（TC8、TC8-1和TC8M-1）鈦合金在燃氣渦輪發(fā)動機和航空發(fā)動機上獲得應(yīng)用。材料的組織和性能與加工工藝有著密切的關(guān)系，通過加工工藝參數(shù)的有效控制，可以獲得相應(yīng)的組織，并獲得良好的性能。本文研究了不同軋制溫度下TC8M-1鈦合金棒材的組織和性能，旨在對該合金軋制工藝的制定提供一定的依據(jù)和參考。

2 實驗

2.1 實驗材料

實驗材料選用寶雞鈦業(yè)股份有限公司3次VAR熔煉的TC8M-1鈦合金鑄錠，其化學成分如表1所示。鑄錠經(jīng)開坯、自由鍛、精鍛等工序加工成Ф47mm棒坯。金相法測得棒坯相變點為970℃～980℃。棒坯的原始狀態(tài)（R態(tài)）顯微組織如圖1所示，為典型的（α+β）兩相區(qū)加工等軸組織。在軋制變形量相同的情況下，分別采用Tβ-60℃和Tβ+20℃兩種軋制溫度將Ф47mm棒坯軋制成直徑為Ф20mm的棒材。

表1 TC8M-1鈦合金鑄錠的化學成分

圖1 TC8M-1合金棒坯顯微組織（R態(tài)）

2.2 試驗方法

在不同溫度軋制的TC8M-1鈦合金棒材上分別切取縱向試樣，并經(jīng)900℃保溫1.5小時，AC+580℃保溫1小時，AC熱處理。金相檢驗采用的腐蝕液為HNO3、HF和H2O的混合液，用Axiovert 200MAT金相顯微鏡觀察顯微組織，在CMT5105電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，并采用掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口形貌。在沖擊試驗機上進行試樣的室溫沖擊試驗。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 軋制溫度對棒材顯微組織和室溫力學性能的影響

Tβ-60℃軋制時，棒材組織為α等+β轉(zhuǎn)組織（如圖2（a）所示），組織比較均勻，α等在45%左右，呈球形或橢球形。其余為β轉(zhuǎn)組織，而β轉(zhuǎn)組織包括β轉(zhuǎn)基體中的細條魏氏α(α魏)和殘余β(β殘)。Tβ+20℃軋制時，棒材基本為α片+β轉(zhuǎn)的網(wǎng)籃組織（如圖2（b）所示），無等軸α相存在，并且存在斷續(xù)晶界α。

圖2 不同軋制溫度下的TC8M-1鈦合金棒材顯微組織

不同軋制溫度下TC8M-1鈦合金棒材室溫力學性能見表2。由力學性能對比可知，Tβ+20℃軋制棒材的室溫拉伸強度和沖擊韌性均略高于Tβ-60℃軋制，但是Tβ+20℃軋制棒材塑性明顯降低，特別是斷后延伸率和斷面收縮率處于壓標準線狀態(tài)。

表2 不同軋制溫度下的TC8M-1鈦合金棒材力學性能

不同溫度軋制TC8M-1棒材的性能存在較大差異，主要是因為兩者顯微組織變形機制不同導(dǎo)致的。Tβ-60℃軋制棒材組織為等軸組織，其中初生α相晶粒呈球形或橢球形，它們與基體之間的取向是任意的，因此試樣在拉伸變形時位錯容易找到可開動的滑移面，有利于滑移變形。而滑移變形抑制了微裂紋的形成和擴展，使合金能夠承受更大的變形，獲得較高的塑性[2-3]。

Tβ+20℃軋制棒材組織為網(wǎng)籃組織，組織中大量片狀α交錯編織，使相界面增加，增強了材料的抗變形能力，使得棒材抗拉強度略高于Tβ-60℃軋制棒材。同時，由于各α片取向不同，當裂紋沿相界面擴展時，遇到不同取向的α集束就要改變其方向，使其擴展路徑曲折，導(dǎo)致裂紋擴展需要克服很大阻礙，因而棒材沖擊韌性也較好。而網(wǎng)籃組織發(fā)生塑性變形時容易在晶界α和不同位向α集束交界處發(fā)生位錯塞積，從而促進了微裂紋的形成和發(fā)展，導(dǎo)致了材料過早的斷裂，降低了塑性[4]。

3.2 室溫拉伸斷口分析

圖3是不同軋制溫度下TC8M-1鈦合金棒材室溫拉伸斷口形貌照片。圖3（a）、3（c）為Tβ-60℃軋制棒材斷口形貌，宏觀拉伸斷口（圖3（a））斷面不平整，斷口區(qū)由粗糙纖維區(qū)和平滑剪切唇組成，呈明顯的韌性斷裂特征；微觀斷口（圖3（c））中心區(qū)為等軸韌窩，韌窩較多、較深且分布均勻，表明合金塑性較好。圖3（b）、3（d）為Tβ+20℃軋制棒材斷口形貌，宏觀拉伸斷口（圖3（b））斷面相對比較平整，斷口沒有明顯剪切唇；微觀斷口（圖3（d））韌窩較少、較淺且局部存在平直的解理小平面，呈現(xiàn)準解理斷裂的特征。

圖3 不同軋制溫度下TC8M-1鈦合金室溫拉伸斷口形貌

試樣在拉伸受力發(fā)生塑性變形時，首先在合金夾雜物顆?；虻诙嘟缑嫔闲纬晌⒘鸭y，隨著形變量增大，裂紋不斷擴展，導(dǎo)致合金基體發(fā)生內(nèi)縮頸，內(nèi)縮頸達到一定程度后斷裂形成韌窩。不同溫度軋制棒材室溫拉伸斷口韌窩大小及深度存在較大差異，這主要受到了材料塑性變形能力的影響，材料塑性變形能力大，韌窩大而深，反之少而淺[5]。斷口形貌分析結(jié)果與表2中室溫拉伸檢測結(jié)果對應(yīng)一致。

4 結(jié)論

（1）TC8M-1鈦合金棒材經(jīng)Tβ-60℃和Tβ+20℃溫度軋制后的顯微組織分別為等軸組織和網(wǎng)籃組織。

（2）具有網(wǎng)籃組織的棒材其室溫拉伸強度和沖擊韌性均略高于等軸組織棒材，但其室溫塑性較差。

（3）等軸組織棒材室溫拉伸微觀斷口形成多而深的等軸韌窩，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂。而網(wǎng)籃組織棒材室溫拉伸微觀斷口韌窩較少、較淺且存在平直的解理小平面，呈現(xiàn)準解理斷裂的特征。