热处理对lMl834铸造用高温钛合金组织与性能的影响

2019-12-26郭建忠刘小花刘娣张利军周中波吴天栋

世界有色金属 2019年18期

郭建忠，刘小花，刘娣，张利军，周中波，吴天栋

（1.海军装备部驻西安地区军事代表局，陕西，西安，710054；2.西安西工大超晶科技发展有限责任公司，陕西，西安，710201）

IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）合金是英国在1984年研制成功的一种近α型钛合金，应用温度近600℃，具有高蠕变强度和良好的疲劳强度和变形能力，已在多种发动机上得到了试验和应用，如波音777使用的Trent700发动机，其高压压气机的所有轮盘、鼓筒及后轴均采用IMI834合金，明显减轻了发动机的质量。其次，IMl834也被用于普惠公司的PW350发动机和EJ200发动机的高压压气机转子[1-5]。

目前对600℃用高温钛合金的研究多集中在变形方面[6-8]，对其铸造相关性能的研究比较少见。Nidhi Singh等人研究了热处理温度对IMI834合金拉伸性能的影响，结果表明，随着固溶温度升高，合金的强度和塑性会下降[9]。M. H. GHAVAM等人采用建模方法研究了IMI834钛合金在热拉伸变形过程的流变行为，结果表明，结果表明，在不同应变条件下IMI834钛合金的热拉伸变形激活能范围为519～557 kJ/mol[10]。哈尔滨工业大学赵而团研究了型壳预热温度、离心转速以及型壳面层材料对IMl834高温钛合金充型能力的影响。并获得了优化的铸造工艺参数[11]。史蒲英等人研究了固溶时效温度对IMl834钛合金棒材组织和性能的影响，获得了锻造IMI834合金的最佳热处理制度[12]。对于航空航天工业中应用的钛合金铸件，必须采用适当的热处理工艺来改善铸造显微组织及机械性能，因此，本文将研究热处理工艺对IMI834铸造钛合金组织与性能的影响。

1 试验材料与方法

试验选用一级小颗粒海绵钛、Al-Mo中间合金、Al豆、Ti-Sn中间合金、铌钛合金、C粉等原料。经过两次真空自耗熔炼制备成规格为Φ220的IMI834成品铸锭，合金成分见表1。铸锭在β区进行一火锻造成Φ160棒材，利用锻棒进行铸造工艺试验，采用真空凝壳炉浇注成Φ20×270mm试棒。将试棒进行不同制度的热处理，热处理制度见表2。

表1 lMl834铸造钛合金的热处理工艺

表2 lMl834铸造钛合金的热处理工艺

在铸态及热处理后的IMI834合金铸棒上取样，用OLYMPUS GX41立式金相显微镜观察合金的显微组织，按照GB/T 228要求测定试样的室温及高温拉伸性能（500℃、550℃、600℃），按照GB/T2039的要求测定试样的高温持久及蠕变性能。并对热处理状态的室温拉伸试样进行断口扫描。

2 试验结果与分析

2.1 组织形貌分析

IMI834合金在铸态和经过不同热处理状态下的高倍组织如图1所示。由图1（a）可以看出该合金在铸造状态下的金相组织为细小的片状α集束+片间β+连续的晶界α相。还可以看出铸态的原始β晶粒异常粗大，α相分布不均匀。经过1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC双重热处理后，晶内为棒状α相纵横交错的网篮组织（见图1（b））。图1（c）为该合金经700℃× 2h，AC后的组织。单纯时效后的组织片状α集束的尺寸比铸态细小，α相的分布也更加均匀，晶界α相呈连续分布。从图一可以看出，单纯时效状态基本上都是细片层α相，而双重热处理后的组织内含有近网篮组织。

图1 IMI834合金在不同状态下的金相组织

2.2 IMI834合金的室温拉伸性能

IMI834合金室温拉伸性能如表2所示。从表2可以看出，铸态和只经过单纯时效的IMI834合金室温力学性能接近（抗拉强度约1020MPa，伸长率约12%）。经过1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC双重热处理后抗拉强度和屈服强度明显升高（1040MPa），但是伸长率降低至8.8%。

表2 lMl834的室温拉伸性能

2.3 IMI834合金的高温拉伸性能

表3为IMI834钛合金不同热处理状态下的高温拉伸性能，由表3可以看出，经过1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC双重热处理的IMI834合金550℃高温强度较高（达640MPa），塑性约15%。而经过单纯时效的IMI834合金600℃的高温抗拉强度较高（达620Mp），高温塑性约14%。经过单纯时效后的IMI834合金550℃高温强度和塑性略低于双重热处理状态，600℃的高温抗拉强度较双重热处理后的略有提升。三种状态的IMI834合金高温塑性差别不大，基本处于11.5～17.5%之间。

表3 lMl834的高温拉伸性能

2.4 IMI834合金的高温持久及蠕变性能

表4列出了IMI834合金的高温持久性能数据。由表4可以看出，热处理状态下的合金在600℃/450MPa试验条件下的高温持久时间都基本保持在5h以上。

表4 lMl834高温持久性能

表5列出了IMI834的高温蠕变性能数据，由表5可以看出，经过1020℃×1.5h，AC；700℃×2h，AC双重热处理和经过700℃×2h，AC的IMI834合金在600℃/400MPa/30min试验条件下的蠕变伸长率差别不大。总伸长率低于0.65%，塑性伸长率低于0.2%。

表5 lMl834高温蠕变性能

2.5 断口形貌分析

图2为IMI834合金经过1020℃×1.5h，AC；700℃×2h，AC双重热处理和经过700℃×2h，AC后的室温拉伸试样断口形貌。一般来说，合金的拉伸断口韧窝越深，塑性变形能越强，反之，韧窝深度小，塑性变形能力弱[13]。从图中可以看出，经过热处理的铸造IMI834合金室温拉伸断口呈韧性断裂，经过1020℃×1.5 h，AC；700℃×2h，AC双重热处理的IMI834合金韧窝数量较多，但是韧窝深度较浅。经过700℃×2h，AC的IMI834合金韧窝深度较深，这也正好解释了其室温塑性优于经过双重热处理的IMI834合金的原因。