航空用TB6鈦合金退火態(tài)粗大β晶粒取向遺傳規(guī)律及其對反復熱鍛造后雙態(tài)組織形成與性能穩(wěn)定性的作用機制

TB6鈦合金(國外牌號Ti-1023)是近β型鈦合金， 具有優(yōu)良的強韌性匹配、高淬透性、耐腐蝕等特點，作 為主承力構件在國內外先進飛機上大量應用［1-6］。美 國ＲAH-66直升機上TB6鈦合金用量占整機用量的12.7%，主要用于制造起落架斜支柱、各類接頭、傳動 結構的支桿、套筒等。在英、法、德等國，TB6鈦合金被 用于NH-90直升機旋翼系統(tǒng)的槳轂中央件和連接件， 波音777的起落架載重梁。由于存在大量β穩(wěn)定元 素，TB6鈦合金在熔煉過程中容易造成慢共析元素Fe 的富集，從而降低α含量形成“β斑”［7-11］ 。“β斑”屬 于冶金缺陷，其存在會造成合金塑性及疲勞性能的下 降［12-13］，如超過規(guī)定尺寸則會影響產(chǎn)品交付。前期研 究表明［14］，在TB6鈦合金鍛造前增加均勻化退火工序 可有效改善鑄錠中Fe元素的晶內偏析，降低“β斑” 出現(xiàn)的概率。然而，由于均勻化退火的溫度高、保溫時 間長，β相晶粒長大不可避免。

本研究采用金相顯微鏡和電子背散射衍射 (EBSD)技術，系統(tǒng)觀察了TB6鈦合金鑄錠在均勻化 退火以及不同鍛造火次后的宏觀與微觀組織，以及β 相的取向特征。重點分析了大尺寸β晶粒在反復熱 變形過程中的組織演變規(guī)律及典型取向特征，旨在優(yōu) 化經(jīng)均勻化退火的TB6鈦合金鑄錠棒材鍛造工藝的 設計，從而提升TB6鈦合金產(chǎn)品的組織均勻性及質量 穩(wěn)定性。

1、試驗材料與方法

試驗材料為3t級TB6鈦合金鑄錠，其化學成分(質量分數(shù),%)為Ti、10V、2Fe、3Al、0.10,相變溫度(β→α)為803℃。采用真空退火爐將鑄錠在1200℃保溫48h均勻化退火后，經(jīng)過9火次的反復鐓拔鍛造，制備成Φ320mm規(guī)格的棒材。其中，第1、2和第4火次在單相區(qū)鐓拔鍛造,鐓粗變形量約為55%;第3和第5~8火次在兩相區(qū)鐓拔鍛造，鐓粗變形量約為50%;第9火次在兩相區(qū)拔長鍛造。

從均勻化退火后的鑄錠、第4和第9火次棒坯的端面分別切取厚20mm的試樣，經(jīng)60%HNO 3 + 40%HF拋光液拋光后，再經(jīng)13%HNO3+16%HF腐蝕液腐蝕后，使用數(shù)碼相機拍攝其低倍組織。隨后在試樣大尺寸晶粒區(qū)域及正常晶粒區(qū)域取樣，進行組織、織構觀察及分析。組織觀察使用金相顯微鏡，織構檢測使用配備EBSD探頭的Ultra55和JSM7900F場發(fā)射掃描電鏡(SEM);取向分析使用TSLOIM和AztecCrystal取向分析軟件，并基于平行長度方向(LD)繪制晶粒取向分布圖和反極圖。

2、試驗結果

2.1均勻化退火態(tài)組織及織構

經(jīng)均勻化退火后，TB6鈦合金鑄錠中的β相晶粒發(fā)生了異常長大，尤其是在靠近橫截面心部的位置，β晶粒長大速度更快，晶粒尺寸在20~80mm之間。而正常晶粒區(qū)域與未均勻化退火的鑄錠相同，晶粒尺寸均在5mm以下(見圖1(a))。對比圖1(b,c)發(fā)現(xiàn)，無論是異常晶粒區(qū)域還是正常晶粒區(qū)域，其內部均由相互交織的片層狀 α相和殘余 β相組成,呈典型的魏氏組織特征。然而，正常晶粒區(qū)域內的 α相片層明顯更細。對檢測的異常晶粒區(qū)域的6個大尺寸β晶粒(如圖1(a)中黑色立方體所示)的取向分析表明,其取向差異較大，說明晶粒長大過程中沒有取向擇優(yōu)的現(xiàn)象;此外，正常晶粒區(qū)域的β相同樣也都是非典型取向，不存在明顯的織構，見圖1(d~f)。

2.2第4火次鍛造后棒坯的織構及取向

第4火次為單相區(qū)鍛造，主要目的是減小并均勻化棒坯中原始β晶粒的尺寸。由圖2(a)可見，棒坯的低倍組織整體變細，并顯示出逐漸模糊化的趨勢。然而仍可觀察到尺寸較大的長條狀清晰β晶粒(見箭頭所指)，說明經(jīng)過單相區(qū)-兩相區(qū)-單相區(qū)變形后，組織仍具有一定的遺傳性。第4火次鍛造完成時，棒坯溫度位于相變點以下，顯微組織呈現(xiàn)出典型的網(wǎng)籃組織特征，如圖2(b,c)所示，其中片層a相較均勻化退火后的組織明顯縮短。對比異常大晶粒區(qū)域，正常晶粒區(qū)域內片層a相更為短小，且排列不再規(guī)律，說明正常晶粒區(qū)域內的變形更加充分。

圖3為第4火次鍛造后，棒坯異常晶粒區(qū)域和正常晶粒區(qū)域中β相取向分布圖和反極圖。異常晶粒區(qū)域內的β相取向較為單一，幾乎完全由一個大尺寸<111>取向的β相晶粒占據(jù)，僅存在少量尺寸較小的<001>和<110>取向的β晶粒(見圖3(a))。相比之下，正常晶粒區(qū)域內的β相取向較為多樣，主要由<001>和<112>取向的β晶粒組成，同時β晶粒的尺寸分布也相對均勻(見圖3(b))，這表明正常晶粒區(qū)域內的變形更加均勻，β相組織得到了更充分的細化和調整。

2.3第9火次鍛造后棒坯的織構及取向

第5~9火次為兩相區(qū)鍛造，其主要目的是實現(xiàn) α相的等軸化。在第9火次鍛造完成后，棒坯的低倍組織基本呈現(xiàn)模糊化趨勢，但仍可觀察到部分長條狀的清晰晶粒(見圖4(a)中箭頭所指)。根據(jù)GJB2218A2018《航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規(guī)范》進行低倍組織評定，該棒坯被判定為不合格。由圖4(b，c)可見，棒坯呈現(xiàn)典型的雙態(tài)組織，但α相的等軸化效果不理想,特別是異常晶粒區(qū)域內,片層狀 α相的比例更高。這表明盡管經(jīng)過多火次的鍛造，異常晶粒區(qū)域內的組織演變仍然受限，導致 α相難以充分等軸化。

圖5為第9火次鍛造后，棒坯異常晶粒區(qū)域和正常晶粒區(qū)域中β相取向分布圖及反極圖。在異常晶粒區(qū)域內，僅觀察到1個接近<111>取向的β晶粒，表明該區(qū)域內的晶粒取向高度集中(見圖5(a))。相比之下，正常晶粒區(qū)域內的β相晶粒尺寸較小且取向較為豐富，主要表現(xiàn)為較弱的<110>和<111>取向(見圖5(b))。這表明在正常晶粒區(qū)域內，鍛造過程使β相組織得到了更充分的均勻化，顯現(xiàn)出多樣化的取向特征和較好的細化效果。

3、討論

上述試驗結果表明，TB6鈦合金鑄錠經(jīng)均勻化退火后雖然能改善組織均勻性并避免“β斑”形成，但是在退火中也存在晶粒異常長大，形成大尺寸β晶粒的風險。通過對比圖2(a)和圖4(a),這些大尺寸的β晶粒在宏觀形貌上相似，并且在反復的兩相區(qū)鍛造過程中也不易消除。原始β晶粒越大，晶粒內的協(xié)調變形能力越強，在同等變形量下，α相越不容易實現(xiàn)等軸化。對比圖2(b,c)、圖4(b,c)可以發(fā)現(xiàn)，原始β晶粒越大，其內部片層 α相的數(shù)量越多、長度越長。圖6為未進行均勻化退火并采用同樣鍛造工藝制備的TB6鈦合金Φ320mm規(guī)格棒材橫截面D/4(D為直徑)位置的顯微組織，α相幾乎全部等軸化，僅存在少量片層狀的a相，說明當原始β晶粒尺寸不均勻時，由于變形的不均勻， α相整體的等軸化受到影響。與均勻退火后鑄錠中較為豐富的β相取向不同(見圖1)，棒坯異常晶粒區(qū)域與正常晶粒區(qū)域β相的織構差異較大，這也是熱變形不均導致的。近β鈦合金在單相區(qū)和兩相區(qū)熱變形時，變形量越高，<001>取向的β相比例越高、<111>取向的β相比例越小{15}。通過對比圖3(a,b)和5(a,b)可以看到，原始β晶粒越大，<111>取向β相的比例越高，說明其實際變形量越小，織構的繼承性也越強。由于β晶粒主要依賴單相區(qū)變形減小晶粒尺寸來實現(xiàn)均勻化，因此，在后續(xù)的工藝設計中，針對均勻化退火的TB6鈦合金鑄錠，可以考慮增加單相區(qū)鍛造的火次，以保證其均勻性。

4、結論

1)TB6鈦合金鑄錠在1200℃保溫48h均勻化退火過程中易出現(xiàn)晶粒異常長大現(xiàn)象，β晶粒尺寸可達20mm以上，這些大尺寸β晶粒在后續(xù)反復鐓拔鍛造中具有組織和取向的繼承性。

2)TB6鈦合金鑄錠均勻化退火過程中形成的大尺寸β晶粒，由于其在鍛造過程中變形協(xié)調能力強，因此碎化過程緩慢，且其內部a相的等軸化程度低。

3)TB6鈦合金鑄錠均勻化退火后形成的大尺寸β晶粒取向較為豐富、無取向擇優(yōu)現(xiàn)象，但在反復鐓拔鍛造后，β晶粒主要呈<111>取向。

參考文獻:

[1]黃旭，朱知壽，王紅紅.先進航空鈦合金材料與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2012.

[2]沙愛學，王慶如，李興無.航空用高強度結構鈦合金的研究及應用[J].稀有金屬，2004，28(1):239-242.

Sha Aixue, Wang Qingru, Li Xingwu. Research and application of high-strength titanium alloys used in airplane structure[J]. Chinese Journal of Rare Metals,2004,28(1):239-242.

[3]錢九紅.航空航天用新型鈦合金的研究發(fā)展及應用[J].稀有金屬，2000，24(3):218-223.

Qian Jiuhong. Application and development of new titanium alloys for aerospace[J]. Chinese Journal of Rare Metals,2000,24(3):218-223.

[4]艾劍波，郭俊賢，覃海鷹，等.Ti1023主槳轂中央件的微動疲勞及其防護[J].直升機技術，2011(2):25-29.

Ai Jianbo, Guo Junxian, Qin Haiying, et al. Fretting fatigue of Ti1023 main rotor hub central part and protection[J]. Helicopter Technique,2011(2):25-29.

[5] Li Lintao, Wang Zhihua, Ma Wei. Experimental study on the high temperature impact torsional behavior of Ti-1023 alloy[J]. Materials,2022,15(11):3847.

[6] Wang Qiang, Yang Chen, Wu Jie, et al. Phase transformation behavior of Ti-023 under static heat treatment and dynamic thermo-mechanical coupling[J]. Materials Characterization,2022,192:112248.

[7]高平，趙永慶，于蘭蘭，等.TB6鈦合金鑄錠中的偏析[J].熱加工工藝，2009，38(17):13-16.

Gao Ping, Zhao Yongqing, Yu Lanlan, et al. Segregation of TB6 alloy ingots[J]. Hot Working Technology,2009,38(17):13-16.

[8]何勇，胡銳，羅偉，等.攪拌磁場對Ti-1023合金鑄錠宏觀組織和Fe元素宏觀偏析的影響[J].稀有金屬材料與工程，2017，46(10):3063-3067.

He Yong, Hu Rui, Luo Wei, et al. Effect of stirring magnetic field on the macrostructure and macrosegregation of Fe element of Ti-1023 alloy ingot[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(10):3063-3067.

[9]楊志軍，寇宏超，李金山，等.真空自耗電弧重熔過程中Ti-10V-2Fe-3Al合金的宏觀偏析行為[J].材料工程與性能雜志，2011,20(1):65-70.

Yang Zhijun, Kou Hongchao, Li Jinshan, et al. Macrosegregation behavior of Ti-10V-2Fe-3Al alloy during vacuum consumable are remelting process[J]. Journal of Materials Engineering and Performance,2011,20(1):65-70.

[10]高平，趙永慶，于蘭蘭，等.熱處理對TB6合金鑄錠偏析的影響[J].熱加工工藝，2009，38(24):135-137.

Gao Ping, Zhao Yongqing, Yu Lanlan, et al. Influence of heat treatment on the segregation of TB6 alloy ingots[J]. Hot Working Technology,2009,38(24):135-137.

[11]范凱，吳立成，李建軍，等.VAR過程中浮力驅動流動引起的鈦合金宏觀偏析數(shù)值模擬[J].稀有金屬材料與工程，2020，49(3):871-877.

Fan Kai, Wu Licheng, Li Jianjun, et al. Numerical simulation of macrosegregation caused by buoyancy driven flow during VAR process for titanium alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2020,49(3):871-877.

[12]呂逸帆，孟祥軍，李士凱，等.TB6合金β斑研究概述[C]//第十三屆全國鈦及鈦合金學術交流會論文集.2008:544-548.

[13]史蒲英，劉向宏，李建偉，等.β斑對TB6鈦合金性能及拉伸變形行為的影響[J].稀有金屬材料與工程，2023，52(5):1925-1931.

Shi Puying, Liu Xianghong, Li Jianwei, et al. Influence ofβ flecks on the properties and tensile deformation behavior of TB6 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2023, 52(5):1925-1931.

[14] Tong Jianbo, Zhang Chaojie, Chen Junshu, et al. Effects of homogenization heat treatment on the Fe micro-segregation in Ti-023 titanium alloy[J]. Materials,2023,16(14):4911.

[15]顏孟奇，陳立全，楊平，等.熱變形參數(shù)對TC18鈦合金β相組織及織構演變規(guī)律的影響[J].金屬學報，2021，57(7):880-890.

Yan Mengqi, Chen Liquan, Yang Ping, et al. Effect of hot deformation parameters on the evolution of microstructure and texture ofβ phase in TC18 titanium alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica,2021,57(7):880-890.

（注，原文標題：TB6鈦合金鑄錠均勻化退火及鍛造過程中的組織演變_顏孟奇）