TC11钛合金双重热处理工艺设计

钛及钛合金具有密度低、强度高、无磁、耐腐蚀等优点,被视为继铁、铝之后尚处于发展中的第三金属。其应用领域日趋广阔,总产量和使用量日渐增加,但目前应用前景最好、使用量最大的仍是高温钛合金。

TC11是综合性能优异的α+β型500℃高温钛合金,室温强度高,热强性好,是制造航空发动机,高压压气机盘以及叶片等的主要材料,也被用于制造飞机上的重要承力部件。魏氏组织断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率性能差,限制了TC11钛合金的服役性能。魏氏组织是实际热加工过程中容易出现且很难避免的组织,且可以模拟焊后组织,所以采取双重热处理对组织改性具有重大的理论及现实意义。

采用电子耦合等离子光谱仪、碳硫分析仪和蒸馏法对试验用TC11钛合金进行化学成分测定,得到各元素含量为Al5.88、Mo3.00、Zr1.14、Si0.25、Fe0.1、C0.015、N0.018、余量Ti。对原始魏氏组织进行等轴化处理,测得合金的相变点为1005℃。

合金中等轴α相的含量与其塑性有一定的对应关系。研究人员对魏氏组织进行双重热处理,通过控制工艺参数使α片层长径比减小、甚至球化,从而提高塑性,改善合金综合性能。第一步热处理:在接近β相变点的温度下保温不同时间后水冷,目的是使具有较大纵横比的α片层碎化,为后续热处理提供有利条件。第二步热处理:在稍低于一次热处理的温度下保温不同时间后空冷,目的是生成一定量的次生α相,并使已碎化的α相球化。

优化工艺设计原则:选择α相球化效果好、条状α相长径小的热处理温度和时间。T1=995℃、T2=980℃、t1=60~120min、t2=60/120min时,球化α相体积分数最多、条状α相平均长径最小,则优化工艺:995℃/60、90、120min/WQ+980℃/60min/AC和995℃/60、90、120min/WQ+980℃/120min/AC。

双重热处理前,TC11钛合金的力学性能分别为:σs=857.91MPa、σb=932.05MPa、ψ=6.10%、静力韧度=6059.20J。经过995℃/60min/WQ+980℃/60min/AC双重热处理后,试样的性能变为σs=977.00MPa、σb=1113.47MPa;经过995℃/90min/WQ+980℃/120min/AC双重热处理后,试样的σs=972.65MP,σb=1115.6MPa,强度提高较多。经995℃/90min/WQ+980℃/120min/AC处理后试样的ψ=7.98%,静力韧度=7651.50J;经995℃/120min/WQ+980℃/120min/AC处理后试样的ψ=8.15%,静力韧度=8371.87J,延伸率、静力韧度提高较大。综合比较各项力学性能,合金经过995℃/90min/WQ+980℃/120min/AC处理后,综合性能最佳。

来源:冶金信息网