BT25鈦合金是俄羅斯上世紀70年代研制的一種綜合性能優良的α+β型熱強鈦合金，名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-2Sn-2Mo-1W-0.2Si，它兼有BT9(TC11)合金的高熱強性和BT8(TC8)合金的熱穩定性，適合在500～550℃下長時工作。據相關文獻介紹,用BT25鈦合金制造的零件在500℃以下工作時間可達6000h，在550℃可達3000h。

國內將該合金牌號命名為TC25，是首次研制的，因此。有必要系統地對TC25鈦合金進行全面的組織和性能研究。本文針對500～550℃工作溫度下長時使用的環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、裂紋擴展速率、T形缺口沖擊韌性等的研究。將為新型高溫環形零件的應用提供依據。

1、實驗材料與方法

環形件實驗原材料為自行研制的TC25棒材，尺寸為6170mm，化學成分為(質量分數，％)：6.2～7.2A1，1.5~2.5Mo，0.8~2.5Zr，0.8～2.5Sn，0.5～1.5W，0.10～0.25Si．雜質總量<0.3。余為Ti。棒材顯微組織如圖1所示。利用金相法測得此合金的α+β/β轉變溫度為1010~1020℃。

采用β鍛和α+β鍛兩種鍛造工藝進行環形件的研制。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》機加一》無損檢測一》性能測試一》成品環材一》檢驗一》入庫。

環形件成品尺寸為φ415mm/φ320mm×55mm，鍛后采用整體熱處理，然后進行解剖取樣，按相關技術條件、規定觀察高低倍組織和測試環形件弦向的力學性能。

2、實驗結果與分析

2.1 β鍛TC25鈦合金環形件組織和性能

β鍛加熱溫度為β相變點以上10～50℃左右，在α+β區完成鍛造。加熱時嚴格控制在高溫區停留的時間。采取在兩相區一定溫度預加熱，最后再加熱到目標溫度的分段式加熱制度規定的溫度。熱處理溫度：950～970℃(溫度允許在β轉變溫度以下30~50℃范圍內調整)，保溫1～4h(時間按鍛件實際厚度確定)，空冷；530~570℃保溫6h，空冷。

2.1.1 β鍛TC25鈦合金環形件顯微組織

圖2為β鍛TC25鈦合金環形件熱處理后的顯微組織。圖(a)為β鍛造環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。由于環形件工藝設計的總鍛比較小，組織變形不夠充分，晶粒沒有得到有效破碎，因此，環形件的各個部位顯微組織中的初生α相較大。

2.1.2β鍛TC25鈦合金環形件力學性能

表1為β鍛環形件熱處理后室溫和500℃高溫拉伸性能。可見無論是室溫還是高溫，各項測試數據均符合俄羅斯模鍛件的技術指標要求[5-6]，塑性富裕量大且測試值比較均勻。但高溫強度富裕量稍小。

表2為β鍛環形件的室溫T形缺口沖擊韌度、斷裂韌性以及裂紋擴展速率。可見，β鍛TC25鈦合金環形件具有優良的損傷容限特性。

2.2 α+β鍛TC25鈦合金環形件研制

α+β鍛加熱溫度為β相變點以下30～60℃左右。熱處理溫度：950-～970℃(溫度允許在β轉變溫度以下30~50℃范圍內調整)，保溫1~4h(時間按鍛件實際厚度確定)，空冷；530～570℃保溫6h，空冷。

2.2.1 α+β鍛TC25鈦合金環形件顯微組織

圖3是α+β鍛TC25合金環形件的顯微組織。圖(a)為α+β鍛造環形件的橫向低倍組織，屬于模糊晶。圖(b)是其高倍組織，為雙態組織。由于加熱溫度在β轉變點以下，故組織中還有大量的等軸組織。

2.2.2 α+β鍛TC25鈦合金力學性能

表3為α+β鍛TC25鈦合金環形件的室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、550℃熱穩定性、沖擊韌度和硬度的實測數據。可見各項測試數據均符合俄羅斯模鍛件的技術指標要求．塑性富裕量大且測試值比較均勻．但高溫強度富裕量稍小。aα+β鍛環形件能獲得優良的強度和韌性匹配。

表4為α+β鍛TC25鈦合金環形件的室溫T形缺口沖擊韌性、斷裂韌性以及裂紋擴展速率。可見，α+β鍛TC25鈦合金環形件也具有優良損傷容限特性，但α+β鍛環形件的斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率還是要略差于β鍛環形件。

2.3 討論

α+β鍛和β鍛環形件高、低倍組織、室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、熱穩定性、沖擊韌性的實測數據等均符合俄羅斯熱強鈦合金BT25的模鍛件規定的要求。而在實際使用中，依據損傷容限特性標準進行失效一安全設計具有重要的意義。研究表明，鈦合金的斷裂韌性與裂紋擴展路徑和曲折程度有關。裂紋擴展通常沿α相的界面進行。因為該相界面結合能較弱。當裂紋擴展方向與α相界面方向一致時，裂紋沿僅相界面方向擴展，當裂紋擴展方向與α相界面方向不同時，裂紋將產生停滯效應或被迫改變擴展方向，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相形態和含量。α鍛形成片狀組織，其α相的形態為片狀，α片層集束的不同取向阻礙了裂紋擴展，當裂紋穿越束界時改變方向，導致裂紋分叉和二次裂紋萌生，這些過程需消耗更多的能量，導致斷裂韌性提高。而α+β鍛形成含有大量等軸狀的雙態組織，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能平直地從其中穿過，無需很多能量，裂紋也不會分叉；而遇到片狀組織時．只能沿著相界面擴展或穿過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展方向，斷裂韌性也較高，但要低于β鍛。

α+β鍛形成的雙態組織，雖有高的塑性和熱穩定性，但鍛件的損傷容限特性差，這對高溫使用零件來說，不能發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℃工作溫度下長時使用的構件。

3、結論

(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形件綜合性能優良，組織與性能均超出相關技術指標要求，與俄羅斯材料數據水平相當。

(2)β鍛和α+β鍛研制出的環形件均具有良好的室溫T形缺口沖擊韌性；β鍛環形件的室溫斷裂韌性、室溫疲勞裂紋擴展速率要略優于α+β鍛環形件。

(3)β鍛比α+β鍛更適合用來制造500～550℃工作溫度下長時使用的構件。

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