过热区对大尺寸TB6钛合金棒材组织与性能的影响

TB6钛合金因具有较高的比强度、优异的疲劳性能以及较强的抗应力腐蚀能力，在航空航天领域得到广泛应用。TB6作为近β型钛合金，淬透性很高，淬透层深度可达50mm以上，这意味着TB6钛合金可以制成尺寸较大的锻件。但是较大尺寸的钛合金棒材变形时，容易出现局部过热，导致内部组织出现不均匀现象。这主要是因为变形过程中的塑性变形功除了小部分以弹性变形能的形式存储在变形体中以外，绝大部分都转换成热能，而钛合金传热系数较小，导致钛合金内部区域有较大温升。棒材内部的温升使得心部区域的实际变形温度高于工艺温度，甚至可能超过相变点，内部就会生成非等轴的微观组织，从而导致棒材横截面组织与性能的不均匀。 国内外学者对如何减少钛合金组织与性能的不均匀性做了很多研究，提出了诸如对变形模具加热、降低变形速率、采用近等温锻造等改进措施，但是关于过热区对大规格钛合金棒材组织与性能影响的研究较少。随着TB6钛合金作为结构件在直升机、客机、战斗机等领域的应用越来越广泛，对大规格TB6钛合金棒材的需求越来越迫切。因此，科技人员对实际生产过程中内部出现过热的大尺寸TB6钛合金棒材进行取样研究，通过组织观察与力学性能测试，考察过热区对大尺寸TB6钛合金棒材组织与性能的影响，为大尺寸TB6钛合金棒材的研发与应用提供参考。 实验材料取自Φ330mm的TB6钛合金铸锭。铸锭以0级海绵钛、中间合金为原料，通过3次真空自耗熔炼而成，其化学成分为（w/%）：Al3.13，V10.34，Fe1.70，C0.006，H0.007，O0.052，Ti余量。铸锭经过开坯、改锻，最终获得横截面尺寸为210mm×210mm的TB6钛合金方形棒材。对棒材进行755℃×2h/WQ+515℃×8h/AC热处理。取样进行组织观察与性能测试。 结果显示，距棒材表面深度为60mm以内的区域为正常的球状等轴组织，深度超过65mm的心部过热区为针状网篮组织。过热区的形成主要是由于心部区域在固溶处理时的冷却速度低于临界冷却速度，没有生成亚稳β相，而直接生成α+β相造成的。棒材横截面上过热区面积占比约18.4%，相比正常区域，其抗拉强度最大降低22.9%，屈服强度最大降低28.5%，布氏硬度降低4.2%，但是具有较好的塑性、较高的平面应变断裂韧度与较强的抗疲劳裂纹扩展能力。过热区的存在增大了棒材横截面组织与性能的不均匀性，降低了TB6钛合金棒材及后续所制锻件的安全系数，必须予以避免。