BT25鈦合金是俄羅斯上世紀(jì)70年代研制的一種綜合性能優(yōu)良的α+β型熱強(qiáng)鈦合金，名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-2Sn-2Mo-1W-0.2Si，它兼有BT9(TC11)合金的高熱強(qiáng)性和BT8(TC8)合金的熱穩(wěn)定性，適合在500～550℃下長時(shí)工作。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹,用BT25鈦合金制造的零件在500℃以下工作時(shí)間可達(dá)6000h，在550℃可達(dá)3000h。
國內(nèi)將該合金牌號(hào)命名為TC25，是首次研制的，因此。有必要系統(tǒng)地對(duì)TC25鈦合金進(jìn)行全面的組織和性能研究。本文針對(duì)500～550℃工作溫度下長時(shí)使用的環(huán)形零件開展了全面的性能研究。特別是首次開展零件的斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率、T形缺口沖擊韌性等的研究。將為新型高溫環(huán)形零件的應(yīng)用提供依據(jù)。
1、實(shí)驗(yàn)材料與方法
環(huán)形件實(shí)驗(yàn)原材料為自行研制的TC25棒材，尺寸為6170mm，化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)：6.2～7.2A1，1.5~2.5Mo，0.8~2.5Zr，0.8～2.5Sn，0.5～1.5W，0.10～0.25Si．雜質(zhì)總量<0.3。余為Ti。棒材顯微組織如圖1所示。利用金相法測(cè)得此合金的α+β/β轉(zhuǎn)變溫度為1010~1020℃。
采用β鍛和α+β鍛兩種鍛造工藝進(jìn)行環(huán)形件的研制。工藝路線：下料一》加熱一》中間鍛造一》加熱一》成品鍛造或軋制一》熱處理一》機(jī)加一》無損檢測(cè)一》性能測(cè)試一》成品環(huán)材一》檢驗(yàn)一》入庫。
環(huán)形件成品尺寸為φ415mm/φ320mm×55mm，鍛后采用整體熱處理，然后進(jìn)行解剖取樣，按相關(guān)技術(shù)條件、規(guī)定觀察高低倍組織和測(cè)試環(huán)形件弦向的力學(xué)性能。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 β鍛TC25鈦合金環(huán)形件組織和性能
β鍛加熱溫度為β相變點(diǎn)以上10～50℃左右，在α+β區(qū)完成鍛造。加熱時(shí)嚴(yán)格控制在高溫區(qū)停留的時(shí)間。采取在兩相區(qū)一定溫度預(yù)加熱，最后再加熱到目標(biāo)溫度的分段式加熱制度規(guī)定的溫度。熱處理溫度：950～970℃(溫度允許在β轉(zhuǎn)變溫度以下30~50℃范圍內(nèi)調(diào)整)，保溫1～4h(時(shí)間按鍛件實(shí)際厚度確定)，空冷；530~570℃保溫6h，空冷。
2.1.1 β鍛TC25鈦合金環(huán)形件顯微組織
圖2為β鍛TC25鈦合金環(huán)形件熱處理后的顯微組織。圖(a)為β鍛造環(huán)形件的橫向低倍組織，屬于模糊晶。圖(b)是其高倍組織，為片狀組織。該組織較圖1棒材的等軸組織相比，初生僅相有了明顯的變大變長。由于環(huán)形件工藝設(shè)計(jì)的總鍛比較小，組織變形不夠充分，晶粒沒有得到有效破碎，因此，環(huán)形件的各個(gè)部位顯微組織中的初生α相較大。
2.1.2β鍛TC25鈦合金環(huán)形件力學(xué)性能
表1為β鍛環(huán)形件熱處理后室溫和500℃高溫拉伸性能?？梢姛o論是室溫還是高溫，各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)均符合俄羅斯模鍛件的技術(shù)指標(biāo)要求[5-6]，塑性富裕量大且測(cè)試值比較均勻。但高溫強(qiáng)度富裕量稍小。
表2為β鍛環(huán)形件的室溫T形缺口沖擊韌度、斷裂韌性以及裂紋擴(kuò)展速率?？梢姡洛慣C25鈦合金環(huán)形件具有優(yōu)良的損傷容限特性。
2.2 α+β鍛TC25鈦合金環(huán)形件研制
α+β鍛加熱溫度為β相變點(diǎn)以下30～60℃左右。熱處理溫度：950-～970℃(溫度允許在β轉(zhuǎn)變溫度以下30~50℃范圍內(nèi)調(diào)整)，保溫1~4h(時(shí)間按鍛件實(shí)際厚度確定)，空冷；530～570℃保溫6h，空冷。
2.2.1 α+β鍛TC25鈦合金環(huán)形件顯微組織
圖3是α+β鍛TC25合金環(huán)形件的顯微組織。圖(a)為α+β鍛造環(huán)形件的橫向低倍組織，屬于模糊晶。圖(b)是其高倍組織，為雙態(tài)組織。由于加熱溫度在β轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下，故組織中還有大量的等軸組織。
2.2.2 α+β鍛TC25鈦合金力學(xué)性能
表3為α+β鍛TC25鈦合金環(huán)形件的室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、550℃熱穩(wěn)定性、沖擊韌度和硬度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢姼黜?xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)均符合俄羅斯模鍛件的技術(shù)指標(biāo)要求．塑性富裕量大且測(cè)試值比較均勻．但高溫強(qiáng)度富裕量稍小。aα+β鍛環(huán)形件能獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性匹配。
表4為α+β鍛TC25鈦合金環(huán)形件的室溫T形缺口沖擊韌性、斷裂韌性以及裂紋擴(kuò)展速率?？梢?，α+β鍛TC25鈦合金環(huán)形件也具有優(yōu)良損傷容限特性，但α+β鍛環(huán)形件的斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展速率還是要略差于β鍛環(huán)形件。
2.3 討論
α+β鍛和β鍛環(huán)形件高、低倍組織、室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、熱穩(wěn)定性、沖擊韌性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等均符合俄羅斯熱強(qiáng)鈦合金B(yǎng)T25的模鍛件規(guī)定的要求。而在實(shí)際使用中，依據(jù)損傷容限特性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行失效一安全設(shè)計(jì)具有重要的意義。研究表明，鈦合金的斷裂韌性與裂紋擴(kuò)展路徑和曲折程度有關(guān)。裂紋擴(kuò)展通常沿α相的界面進(jìn)行。因?yàn)樵撓嘟缑娼Y(jié)合能較弱。當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與α相界面方向一致時(shí)，裂紋沿僅相界面方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與α相界面方向不同時(shí)，裂紋將產(chǎn)生停滯效應(yīng)或被迫改變擴(kuò)展方向，從而消耗更多的能量。使斷裂韌性值提高同。而斷裂韌性值的主要影響因素是α相形態(tài)和含量。α鍛形成片狀組織，其α相的形態(tài)為片狀，α片層集束的不同取向阻礙了裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋穿越束界時(shí)改變方向，導(dǎo)致裂紋分叉和二次裂紋萌生，這些過程需消耗更多的能量，導(dǎo)致斷裂韌性提高。而α+β鍛形成含有大量等軸狀的雙態(tài)組織，由于既含有片狀儀相又含有等軸α相。裂紋遇到等軸組織時(shí)能平直地從其中穿過，無需很多能量，裂紋也不會(huì)分叉；而遇到片狀組織時(shí)．只能沿著相界面擴(kuò)展或穿過α集束，消耗更多的能量，裂紋隨著僅片和α集束位向的變化不斷改變擴(kuò)展方向，斷裂韌性也較高，但要低于β鍛。
α+β鍛形成的雙態(tài)組織，雖有高的塑性和熱穩(wěn)定性，但鍛件的損傷容限特性差，這對(duì)高溫使用零件來說，不能發(fā)揮鈦合金的性能潛力。β鍛形成的片狀組織。能夠提供比α+β鍛更好的蠕變性能和斷裂韌性等損傷容限特性。因此，β鍛更適合用來制造500～550℃工作溫度下長時(shí)使用的構(gòu)件。
3、結(jié)論
(1)采用β鍛工藝研制的TC25鈦合金為片狀組織。α+β鍛為等軸組織。兩種工藝的研制出的環(huán)形件綜合性能優(yōu)良，組織與性能均超出相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，與俄羅斯材料數(shù)據(jù)水平相當(dāng)。
(2)β鍛和α+β鍛研制出的環(huán)形件均具有良好的室溫T形缺口沖擊韌性；β鍛環(huán)形件的室溫?cái)嗔秧g性、室溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率要略優(yōu)于α+β鍛環(huán)形件。
(3)β鍛比α+β鍛更適合用來制造500～550℃工作溫度下長時(shí)使用的構(gòu)件。
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