航空用超大規(guī)格TC18鈦合金棒材的制備及組織性能研究

鈦及鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)良性能，在航空航天、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出極強的發(fā)展?jié)摿?[1-5] 。TC18 鈦合金是一種典型的高強高韌鈦合金，名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，大量用作飛機起落架、飛機承重梁等大型承力結(jié)構(gòu)件 [6-14] 。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，新型飛機對承力結(jié)構(gòu)件的要求逐漸向整體化、大型化方向發(fā)展，對原材料的尺寸要求也進一步提高 [15-17] 。顏孟奇等人 [18] 探究了熱處理參數(shù)對 φ 300 mm TC18 鈦合金棒材組織的影響；喬恩利等人 [19] 對比了3種不同鍛造工藝對 φ 400 mm TC18鈦合金棒材組織與性能的影響，進而得出最優(yōu)鍛造工藝；顧忠明等人 [20] 研究了 φ 400 mm TC18 鈦合金棒材組織與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系。但對于更大規(guī)格 TC18 鈦合金棒材的研究鮮有報道，這是由于超大規(guī)格棒材的組織均勻性與力學(xué)性能穩(wěn)定性難以控制。

為此，開展了 φ 500 mm TC18鈦合金棒材的研制工作，以期獲得成分、組織、性能滿足航空標準要求的超大規(guī)格 TC18 鈦合金棒材，為高強高韌鈦合金大型化發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 、實 驗

選用高純海綿鈦和 MoAl、VAl、CrAl、FeAl 中間合金，經(jīng) 3 次真空自耗電弧熔煉制備規(guī)格為 φ 720 mm的 TC18 鈦合金鑄錠。鑄錠質(zhì)量為 5250 kg，通過金相法測得鑄錠相變點為 870~875 ℃。在鑄錠頭部、中部、尾部 3 個部位取樣，進行化學(xué)成分分析。

鑄錠經(jīng) 80 MN 快鍛機在相變點以上開坯鍛造，對粗大的鑄態(tài)組織進行充分破碎，通過多道次的鐓拔鍛造進一步細化晶粒，最終在α＋β相區(qū)鍛造成 φ 500 mm TC18鈦合金棒材。TC18 鈦合金棒材單根質(zhì)量超過 2500 kg，實物如圖 1 所示。

圖 1 超大規(guī)格 TC18 鈦合金棒材照片

Fig.1 Photo of oversized TC18 titanium alloy bar

為了對棒材的組織均勻性進行評價，在棒材的頭、尾區(qū)域各切取一個 35 mm 厚試樣片進行熱處理，熱處理制度為 835 ℃保溫 2 h，爐冷到 750 ℃，保溫 2 h 后空冷，后續(xù)在 615 ℃時效 6 h 后空冷。對熱處理后的試樣片進行低倍組織觀察，在試樣片的邊部、R/2、心部切取15 mm×15 mm×10 mm 的金相試樣，使用 240#、400#、1000#、2000#砂紙依次打磨，拋光后使用配比為 3%HF＋7%HNO 3 ＋90%H 2 O（體積比）的腐蝕液進行蝕刻。采用Olympus GX71 光學(xué)顯微鏡（OM）、JSM-IT700HR 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察棒材不同部位的微觀組織。

為了對 TC18 鈦合金棒材力學(xué)性能的穩(wěn)定性進行評價，在熱處理后試樣片 R/2 處取樣，根據(jù) GB/T 228.1—2021 標準加工成 φ 5 mm拉伸試樣，采用 ZWICK萬能材料拉伸試驗機進行室溫拉伸性能測試；根據(jù) GB/T 229―2007 標準加工成 10 mm×10 mm×55 mm 沖擊試樣，采用 ZWICK 300J 擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊性能測試；根據(jù) GB/T 4161—2007 標準加工成 62.5 mm×60 mm×25 mm 沖擊試樣，采用 MTS Landmark 電液伺服疲勞試驗機進行室溫斷裂韌性測試。為確保實驗數(shù)據(jù)準確、可信，每組拉伸試驗取 3 個平行試樣進行測試。

2、 結(jié)果與分析

2.1 鑄錠成分均勻性

表 1 為 TC18 鈦合金鑄錠頭部、中部、尾部 3 個部位的化學(xué)成分分析結(jié)果。由表 1 可以看出，TC18 鈦合金鑄錠的主元素 Al、Mo、V、Cr 和 Fe 的極差分別為 0.03%、0.07%、0.04%、0.02%，雜質(zhì)元素 O 的極差僅有 0.006%，表明鑄錠整體成分均勻性良好。

2.2 棒材組織

2.2.1 棒材宏觀組織

圖 2 為 TC18鈦合金棒材低倍組織照片。由圖 2 可見，棒材頭、尾低倍組織無明顯分層、裂紋、氣孔、偏析、金屬和非金屬夾雜及其他肉眼可見的冶金缺陷；無肉眼可見的清晰晶粒，低倍組織均勻模糊。

2.2.2 棒材顯微組織

圖 3 為 TC18 鈦合金棒材不同部位的金相照片，圖中白色的物相為 α-Ti 相，黑色的物相為 β-Ti 相。由圖 3可知，TC18 鈦合金棒材組織均由 α 相和 β 相組成，α 相在 β 相中均勻分布，無明顯分層、團聚現(xiàn)象。對比棒材頭部和尾部不同部位的微觀組織，無明顯區(qū)別，說明棒材整體的組織均勻性良好。

圖 2 TC18 鈦合金棒材低倍組織照片

Fig.2 Macrostructures of TC18 titanium alloy bar: (a) head; (b) tail

圖 3 TC18 鈦合金棒材不同部位的金相照片

Fig.3 OM images of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) head-edge; (b) head-R/2;(c) head-center; (d) tail-edge; (e) tail-R/2; (f) tail-center

圖4為TC18鈦合金棒材頭部、尾部不同部位的SEM照片。由圖 4 可知，TC18 鈦合金棒材的微觀組織主要由近等軸的初生 α 相、細針狀的次生 α 相以及分布在 α相之間的 β 基體組成，組織分布均勻，無明顯團聚、分層現(xiàn)象。

圖 4 TC18 鈦合金棒材不同部位的 SEM 照片

Fig.4 SEM images of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) head-edge; (b) head-R/2;(c) head-center; (d) tail-edge; (e) tail-R/2; (f) tail-center

為對比 TC18 鈦合金棒材不同部位的微觀組織，使用 Image J 軟件對不同部位初生 α 相的平均晶粒尺寸進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖 5 所示。由圖 5 可知，TC18 鈦合金棒材頭與尾的邊部、R/2 和心部初生 α 相的晶粒尺寸較為接近，最大為 4.12 μm，最小為 3.94 μm，極差僅為0.18 μm，說明棒材整體的組織均勻性良好。

圖 5 TC18 鈦合金棒材不同部位的初生 α 相晶粒尺寸

Fig.5 Grain size of primary α phase at different positions of TC18 titanium alloy bar

通過 Image J 軟件對棒材不同部位初生 α 相、次生 α和 β 相的體積分數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖 6 所示。由圖 6可以看出，TC18 鈦合金棒材頭部和尾部的物相分布接近，極差不超過 3%。對比邊部、R/2 和心部的物相體積分數(shù)，初生 α 相、次生 α 相和 β 相的含量相近，無明顯區(qū)別，棒材整體的組織均勻性良好。

圖 6 TC18 鈦合金棒材不同部位的物相體積分數(shù)

Fig.6 Volume fraction of different phases of TC18 titanium alloy bar at different positions

2.3 棒材力學(xué)性能

對 TC18 鈦合金棒材頭部與尾部的邊部、R/2、心部區(qū)域的室溫拉伸性能、沖擊性能以及斷裂韌性進行測試，對比不同部位的力學(xué)性能，進而對棒材整體的性能穩(wěn)定性進行分析。圖7為TC18鈦合金棒材的室溫拉伸測試結(jié)果。

由圖 7 可見，棒材不同部位的室溫拉伸性能較為接近，抗拉強度最大為 1115 MPa，最小為 1104 MPa，極差為11 MPa；屈服強度最大為 1057 MPa，最小為 1047 MPa，極差為 10 MPa；延伸率最大為 13%，最小為 11%，極差為 2%；斷面收縮率最大為 32%，最小為 26%，極差為 6%，棒材整體的性能穩(wěn)定性較好。

圖 7 TC18 鈦合金棒材不同部位的室溫拉伸性能

Fig.7 Room temperature tensile properties of TC18 titanium alloy bar at different positions: (a) tensile strength; (b) tensile plasticity

圖 8 為 TC18 鈦合金棒材不同部位的沖擊韌性和斷裂韌性測試結(jié)果。由圖 8 可知，棒材頭部和尾部的不同區(qū)域韌性測試結(jié)果相近，沖擊吸收能量（KU 2 ）的范圍為 35.7~40.9 J/cm²，頭部與尾部偏差僅為 5.2 J/cm²，斷裂韌性值（K IC ）的范圍為 63.3~67.5 MPa·m 1/2 ，頭部與尾部偏差僅為 4.2 MPa·m ^1/2 ，棒材整體的性能穩(wěn)定性較好。

圖 8 TC18 鈦合金棒材不同部位的沖擊性能和斷裂韌性

Fig.8 Impact and fracture toughness of TC18 titanium alloy bar at different positions 

3 、結(jié) 論

(1) TC18 鈦合金鑄錠不同部位的成分均勻性良好，各主元素極差控制在 0.1%以內(nèi)。

(2) φ 500 mm 超大規(guī)格 TC18 鈦合金棒材頭、尾的低倍組織均勻一致，不同部位的微觀組織無明顯差異，說明棒材整體組織均勻性良好。

(3) φ 500 mm 超大規(guī)格 TC18 鈦合金棒材不同部位的力學(xué)性能接近，無明顯差異，性能穩(wěn)定性較好。

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