陈晓志

(中国南方航空工业(集团)有限公司,湖南株洲 412002)

TC11钛合金高温持久性能影响因素探讨

陈晓志

(中国南方航空工业(集团)有限公司,湖南株洲 412002)

TC11钛合金制成的长拉紧螺栓经自由锻造后进行双重退火热处理,取零件加工成标准试样进行高温持久性能试验不合格,本文从热处理工艺机理、TC11钛合金双重退火后的显微组织对比及返修试验分析了影响TC11钛合金高温持久性能的工艺因素,为TC11钛合金热处理加工过程控制提供有效指导。

TC11钛合金 双重退火 热处理 高温持久性能

1 概述

长拉紧螺栓作为某型号航空发动机的承力件,要求在500℃以下都有很好的力学性能、韧性以及良好的耐腐蚀性能,长拉紧螺栓选用TC11钛合金棒材锻造加工。TC11钛合金是一种综合力学性能良好的α-β型双相热强钛合金,在500℃以下有优异的热强性能(高温强度、蠕变抗力)等,并且具有与合金钢材相当的室温强度,该合金还具有良好的加工工艺性[1]。TC11钛合金材料质量轻、具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高的特点,能减轻发动机重量来提高发动机推重比,是作为航空发动机结构件的先进材料。

2 TC11钛合金成分与热处理工艺

2.1 TC11钛合金化学成分(见表1、表2)

表1 航空材料手册要求合金成分 %

表2 TC11钛合金材料入厂复验成分 %

此批原材料经复验化学成分符合航空材料手册要求,满足TC11钛合金热处理标准加工要求。

2.2 TC11钛合金热处理工艺

2.2.1 TC11钛合金双重退火热处理工艺制度

一次退火 950℃～980℃,1～2h,空冷；

二次退火 530℃～580℃,6h,空冷。

表3 机械性能数据

表4 机械性能数据

2.2.2 TC11钛合金热处理工艺机理

TC11钛合金的组织为α＋β相,选该材料加工的长拉紧螺栓要求在高温及长期应力作用下组织和性能稳定,采用双重退火的热处理方法。其机理为第一次高温退火加热温度高于或接近再结晶终了温度,使再结晶充分进行,又不使晶粒明显长大,并控制初生α相的体积分数。空冷后,组织还不够稳定,需进行第二次低温退火,退火温度为低于再结晶温度的某一温度(约低于β相变点300～500℃),保温较长时间,使高温退火得到的亚稳β相充分分解,使组织更接近平衡状态,产生一定程度的时效强化效果,以保证成品在长期服役过程中组织和性能稳定[2]。

3 零件加工情况及结果

3.1 零件加工路线

选用TC11钛合金棒材加工长拉紧螺栓的基本工艺路线如下:原材料自由锻造热处理(双重退火)机械加工稳定处理检验入库此零件的验收技术要求锻件经热处理后验收,双重退火为工艺路线中的关键工序,双重退火工艺将决定零件的各项机械性能指标(σb、σ0．2、δ、ψ、ak、500℃高温持久性能)和内部显微组织结构。

3.2 零件双重退火加工情况及结果

零件为锻造杆状,规格为φ15×242,一端墩粗为φ21×16的圆柱头,本批零件共180件在RJX-90型箱式电阻炉中进行双重退火热处理,实际加工情况为:

一次退火:965℃,保温时间70min,空冷

二次退火:530℃,保温时间6．5h,空冷

本批零件装炉方式为:水平堆叠摆放3层,用专用热处理篮装炉加热,出炉将零件整篮取出自然空冷。加工完后抽取两个零件加工成标准试样进行理化性能试验,其中每个零件加工成两组试样(即室温拉伸、室温U型缺口冲击与高温持久试样各两个)试验结果如表3所示。

以上结果除500℃高温持久性能都不符合要求外,其它项均符合要求。

4 分析与返修

所有试样高温持久性能项目达不到技术要求,首先对零件加工过程进行检查,从锻造到退火过程的加工基本符合工艺要求。为进一步了解原因,查阅了TC11钛合金材料的特性,加热温度对材料性能敏感、热导率小、热容量大,α＋β→β转变温度为1000℃±20℃。TC11钛合金的相转变过程为从较高温度快速冷却获得马氏体α`,从较低温度快速冷却获得马氏体α``。在450℃以上加热时α`或α``分解成α相和β相[3]。对于此材料的特点结合具体的加工过程的检查分析,认为装炉量过多、零件摆放过密,一次退火出炉后零件未分散摆放导致冷速不够为不合格原因。因此采取措施进行返修试验:原热处理温度工艺参数不变,在原设备中加工,设计专用工装将零件之间保持一定间距垂直分散摆放,同时减少装炉量,零件一次退火后出炉采用轴流鼓风机对零件吹风冷却。返修后重新抽取2件零件进行理化性能试验,具体情况见表4、表5。

表5 TC11(500℃,590 Mpa)高温持久性能

从上面结果看出,返修后的零件硬度、冲击韧性、断面收缩率均有所提高,室温强度变化不大,延伸率略有下降,室温机械性能变化不大。在原有热处理工艺制度不变的条件下,采取控制零件装炉数量、改进零件装炉方法、加快一次退火出炉后冷却速度的控制措施,高温持久性能提高很多,从之前的80h～90h提高到了最低110h以上,基本提高了30%以上,全部达到合格要求,整批零件返修后合格。为进一步对比分析原因,分别选两次试验的试样做金相显微组织检查如图1、图2所示。

图1 持久性能t=83.8h不合格试样500×

图2 持久性能t=122.7h 合格试样500×

在两图中组织为在转变β相的基体上均匀分布着白色颗粒状初生α相,在图2中的α相比图1中α相要细小,且大部分呈细小颗粒状弥散分布,析出α相粒度细小且分布均匀,α相的弥散度要高,组织稳定性好、弥散强化效果也好,结果高温持久性能好；说明采取分散摆放装炉、一次退火后强制风冷提高了出炉后冷却速度导致TC11钛合金在两相区高温连续冷却过程中转变析出的α相聚集长大的条件不充分呈现出α相粒度细小、数量多,弥散度高的特点。从性能试验结果与组织对比分析可知TC11钛合金α相分散度越高、α相的粒度越小,TC11钛合金的高温持久性能越好。

5 结语

通过对长拉紧螺栓的热处理加工工艺试验与分析,对影响TC11钛合金高温持久性能的因素总结如下:

(1)TC11钛合金中α相粒度越小、分散越均匀,TC11钛合金的高温持久性能越好；

(2)TC11钛合金双重退火处理时采取分散摆放装炉、一次退火后出炉强制风冷,析出α相粒度较小、分散度较高,则TC11钛合金的高温持久性能越好。

[1]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用.北京:化学工业出版社,2005.

[3]颜鸣皋,赵进,朱之琴.中国航空材料手册.2001:147～171.

陈晓志(1982—),男,汉族,职称:热处理工程师,所研究方向:金属热处理工艺技术工作。