過熱區(qū)對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響

TB6鈦合金因具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的疲勞性能以及較強(qiáng)的抗應(yīng)力腐蝕能力，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TB6作為近β型鈦合金，淬透性很高，淬透層深度可達(dá)50mm以上，這意味著TB6鈦合金可以制成尺寸較大的鍛件。但是較大尺寸的鈦合金棒材變形時(shí)，容易出現(xiàn)局部過熱，導(dǎo)致內(nèi)部組織出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樽冃芜^程中的塑性變形功除了小部分以彈性變形能的形式存儲在變形體中以外，絕大部分都轉(zhuǎn)換成熱能，而鈦合金傳熱系數(shù)較小，導(dǎo)致鈦合金內(nèi)部區(qū)域有較大溫升。棒材內(nèi)部的溫升使得心部區(qū)域的實(shí)際變形溫度高于工藝溫度，甚至可能超過相變點(diǎn)，內(nèi)部就會生成非等軸的微觀組織，從而導(dǎo)致棒材橫截面組織與性能的不均勻。

國內(nèi)外學(xué)者對如何減少鈦合金組織與性能的不均勻性做了很多研究，提出了諸如對變形模具加熱、降低變形速率、采用近等溫鍛造等改進(jìn)措施，但是關(guān)于過熱區(qū)對大規(guī)格鈦合金棒材組織與性能影響的研究較少。隨著TB6鈦合金作為結(jié)構(gòu)件在直升機(jī)、客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，對大規(guī)格TB6鈦合金棒材的需求越來越迫切。因此，科技人員對實(shí)際生產(chǎn)過程中內(nèi)部出現(xiàn)過熱的大尺寸TB6鈦合金棒材進(jìn)行取樣研究，通過組織觀察與力學(xué)性能測試，考察過熱區(qū)對大尺寸TB6鈦合金棒材組織與性能的影響，為大尺寸TB6鈦合金棒材的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

實(shí)驗(yàn)材料取自Φ330mm的TB6鈦合金鑄錠。鑄錠以0級海綿鈦、中間合金為原料，通過3次真空自耗熔煉而成，其化學(xué)成分為（w/%）：Al3.13，V10.34，F(xiàn)e1.70，C0.006，H0.007，O0.052，Ti余量。鑄錠經(jīng)過開坯、改鍛，最終獲得橫截面尺寸為210mm×210mm的TB6鈦合金方形棒材。對棒材進(jìn)行755℃×2h/WQ+515℃×8h/AC熱處理。取樣進(jìn)行組織觀察與性能測試。

結(jié)果顯示，距棒材表面深度為60mm以內(nèi)的區(qū)域?yàn)檎５那驙畹容S組織，深度超過65mm的心部過熱區(qū)為針狀網(wǎng)籃組織。過熱區(qū)的形成主要是由于心部區(qū)域在固溶處理時(shí)的冷卻速度低于臨界冷卻速度，沒有生成亞穩(wěn)β相，而直接生成α+β相造成的。棒材橫截面上過熱區(qū)面積占比約18.4%，相比正常區(qū)域，其抗拉強(qiáng)度最大降低22.9%，屈服強(qiáng)度最大降低28.5%，布氏硬度降低4.2%，但是具有較好的塑性、較高的平面應(yīng)變斷裂韌度與較強(qiáng)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。過熱區(qū)的存在增大了棒材橫截面組織與性能的不均勻性，降低了TB6鈦合金棒材及后續(xù)所制鍛件的安全系數(shù)，必須予以避免。

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