航空发动机用BT25和BT25y热强钛合金评述

BT25和BT25y是含有高熔点金属W的Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系马氏体钛合金,由于其优异的热强性能在航空发动机中得到应用。概述了BT25和BT25y钛合金的加工工艺、热处理工艺对性能的影响及其室温和高温的力学性能等。介绍了宝钛集团有限公司等单位合作研究热强钛合金——BT25、BT25y及BT25y改进型的状况,通过添加与钛熔点和密度相近的多元中间合金,保证了这三种合金成分的均匀性,力学性能达到国外同类合金的水平。

物理分析法与金相法测定BT25钛合金相变点

针对BT25两相钛合金,对比研究了计算法、热膨胀法、差示扫描量热法和连续升温金相法4种方法测定(α+β)/β相变点的一致性问题。计算法根据各合金元素及杂质含量对钛合金相变点的影响值,推算出公式,得出BT25合金的相变点约为1023℃;热膨胀法和差示扫描量热法根据钛合金发生(α+β)→β转变时体积和热量的变化,测得BT25合金的相变点约分别为1029.2和1029.85℃;而连续升温金相法通过观察不同淬火温度的试样在光学显微镜下的显微组织变化,确定升温过程中初生α相完全消失的温度即为相变温度,约为1029℃。结果表明采用计算法、热膨胀法和差示扫描量热法与金相法测定BT25钛合金的(α+β)/β相变点一致,基于多种测定方法的综合运用对于钛合金相变点的准确测定具有重要意义。

BT25钛合金在两相区变形过程中的显微组织定量分析

对具有片层α相的BT25合金圆饼在两相区进行4种变形程度的等温锻造,用定量金相分析方法研究变形量对显微组织特征参数(α相体积分数、α片层厚度和α相球化率)的影响规律。结果表明:随着变形量增加,α片层不断弯曲破碎,导致α片层长宽比减小而球化率增大,当变形量达到80%时球化率为85.23%,改善了合金组织的均匀性;在变形过程中片层α两端的物质向中间扩散,导致片层厚度增加,变形量从0%增至80%,α片层厚度增加了1.6μm;α相的体积分数由于等温锻造温度不变而基本维持在60%左右,大变形时有所降低。

BT25钛合金高温变形行为

对BT25钛合金在温度为950~1 100℃,应变速率为0.001~10 s-1条件下的高温变形行为进行了研究,分析了热力学参数对流变应力和微观组织的影响,并以Arrhenius方程为基础,构建了本构方程,最后进行了验证.结果表明:BT25合金在相同温度和应变速率下变形,变形量越大,动态再结晶越充分并细化了晶粒.相同变形量,变形温度越低,应变速率越高,动态再结晶晶粒尺寸越细小;流变应力随应变速率的增加而增加,随变形温度的升高而减小;BT25合金在α+β两相区(950~1 010℃)Q=763.51 k J/mol,β相区(1 040~1 100℃)Q=231.36 k J/mol.

热强钛合金BT25组织与性能

介绍了前苏联航空发动机用热强钛合金(或高温钛合金)BT25的发展概况,并对BT25合金的成分特点、热处理强化优点等做了进一步阐述,给出了退火状态下的物理性能,在说明热强钛合金微观组织与力学性能关系的基础上给出了BT25合金的各种力学性能。

BT25y钛合金热稳定性能研究

通过力学性能测试、X射线衍射仪、透射电镜和扫描电镜等方法,研究了BT25y钛合金的热稳定性能。结果表明,BT25y合金的抗拉强度与屈服强度随固溶温度的变化曲线表现出马氏体型钛合金的特征;合金固溶时效后,在500和550℃经300～2000h热暴露后抗拉强度Rm为1380～1420MPa,均在高强度状态下,还有较好的塑性,表明在500和550℃合金组织是热稳定的;断口形貌清楚表明,纤维区、放射区及剪切唇的断口特征十分明显,纤维区、裂纹核心源区和放射扩展区均为韧窝深的韧性断裂断口形貌,而剪切撕裂区也为韧性断裂断口形貌,只是韧窝深浅程度有变化,随热稳定时间的延长,韧窝逐渐变浅,同时还发现了二次裂纹;在500和550℃热暴露过程中发生了α→α+α2的相转变,且α相和α2相共存。

热处理工艺对BT25钛合金锻件的组织与性能的影响

研究了不同固溶温度及冷却方式对BT25钛合金锻件组织与性能的影响。结果表明:同一固溶温度下,空冷的比炉冷的显微组织细小。固溶温度在相变温度以上,空冷的比炉冷的室温强度高,但塑性指标及冲击韧性变化不大。固溶温度在相变温度以下,同一固溶温度下空冷的比炉冷的室温强度稍高、断面收缩率和冲击韧性要高的多、延伸率变化不大,但屈服强度略有下降。高温强度随着冷却速度的提高而呈现略有提高趋势,塑性指标变化不明显。选用固溶温度为相变点以下30～40℃,保温2h空冷+550℃,6h空冷热处理制度,可以保证合金强度和塑性的最佳配合。

锻造温度对BT25钛合金组织和性能的影响

BT25钛合金制航空发动机压气机盘因直径大、形状复杂，要采用等温锻造。研究了锻造温度对BT25钛合金组织与性能的影响。试验结果表明，等温锻造温度不同，合金的组织和性能也不同。与在α＋β两相区锻造和在（α＋β）→β相变点以上30℃锻造的相比，在（α＋β）→β相变点以下10～15℃的温度锻造，具有等轴α相、条状α相和β相的合金综合性能最佳。

退火后冷却方式对BT25钛合金组织和性能影响

本文用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)研究了退火后冷却方式对BT25钛合金的显微组织和室温力学性能影响.结果表明:一次退火后水冷,BT25钛合金的基体可以获得相较于空冷而言更为细小的β转变组织,但对初生α相的影响不大;同时合金的拉伸强度因片状α相的细小而更高,且合金的断后伸长率下降.因此,要使BT25合金获得更高的强度,一次退火后应进行水冷.

基于应变补偿和BP神经网络的BT25钛合金本构关系研究

利用Gleeble-3500热模拟试验机对BT25钛合金在变形温度为950~1100℃,应变速率为0.001~1 s^-1和最大压下率为60%条件下进行热压缩实验,研究了BT25钛合金的热变形行为,并分别建立了α+β两相区和β单相区的基于应变补偿的Arrhenius本构模型,同时构建了基于BP神经网络的本构关系模型。结果表明,合金对变形温度和应变速率较为敏感,其流变应力随变形温度的降低和应变速率的增加而增大。在α+β两相区,基于应变补偿的本构模型的相关系数R为0.981;在β单相区,其相关系数R为0.984;基于BP神经网络的本构模型相关系数R达到0.996,表明BP神经网络模型具有更高的精度,能更好地预测BT25钛合金的高温流变应力。

BT25Y钛合金拉伸强度的当量计算

测试了BT25Y钛合金中不同Al,W,Mo含量双态组织的室温和高温拉伸强度,在此基础上,参照Kolachev等人的公式,给出了高温条件下抗拉强度和屈服强度的当量计算公式,该公式也适用于魏氏组织BT25Y钛合金,

Zr含量对BT25合金等温锻件组织及性能的影响

采用金相显微镜、扫描电镜、X射线能谱仪和力学性能测试等手段,研究了Zr含量对BT25合金等温锻件组织及力学性能的影响。结果表明:采用两相区等温锻造工艺及提高Zr含量可促使BT25合金组织金属流线的形成,抑制了锻后合金冷却时晶界α相的形核及长大,可得到典型的双态组织;随Zr含量增加(由1.65%增加到3.86%),BT25合金在室温,500、550℃高温的拉伸强度和热稳定强度分别提高了161、123、96、57 MPa;断裂韧性由68.9 MPa·m^(1/2)提高至85.5 MPa·m^(1/2)。

改进型BT25y钛合金热处理工艺对棒材组织和性能的影响

对改进型BT25y钛合金棒材固溶、时效热处理与力学性能的关系进行了研究。结果表明,改进型BT25y钛合金强化热处理的固溶温度为900～945℃,时效温度为530～550℃,在该工艺范围内处理,可获得均匀α+β等轴组织,且组织性能匹配较好,各项拉伸性能指标均达到或超过工程应用的技术要求。

BT25钛合金相变温度的测定

利用计算法、热膨胀法、差示扫描量热法和连续升温金相法测定了BT25钛合金的相变温度。结果表明,4种方法获得的相变温度分别为1 023.2、1 029.0、1 029.8和1 029.0℃。

2种轧制温度下BT25钛合金棒材组织与性能

研究了980℃和950℃2种温度轧制的BT25钛合金棒材的室、高温拉伸性能、热稳定性能以及持久性能。研究结果表明,所研究的2种温度下得到的轧制棒材的性能均满足用户提出的标准要求。它们的高温拉伸性能、冲击韧性相当,980℃轧制棒材的室温拉伸性能优于950℃轧制棒材,但后者的热稳定性优于前者,550℃热暴露100 h后,后者塑性降低程度较小。BT25钛合金棒材组织比较均匀,均为初生α相和条状β转变组织构成的双态组织,且变形温度较低时,组织较细小,合金的综合性能较高,尤其是热稳定性能较好。

BT25钛合金大规格棒材的研究

BT25钛合金主元素采用多元中间合金的形式加入,经过3次真空自耗电弧炉熔炼,其铸锭成分满足技术条件的要求且成分较为均匀。铸锭采用β相区开坯,再经α+β两相区多火次锻造,最后锻成Φ220 mm的棒材。棒材的高、低倍组织以及高温、室温力学性能等各项技术指标均符合标准要求。

BT25钛合金压气机盘等温精锻件的研制

采用等温锻造工艺成功地试制出BT25钛合金精密锻件,锻件的各项性能指标全部满足技术条件的要求,且锻件的加工余量小、材料的利用率高、组织和性能稳定。

BT25y高温高强钛合金研究

介绍了高温高强钛合金BT25y(Ti-6Al-4Mo-4Zr-2Sn-1W-0.2Si)的试制过程,对该合金的性能与组织关系进行了讨论.结果表明,BT25y合金在常温和高温下均具有优异力学性能:直径为350 mm的饼材400℃/100 h持久强度在800 MPa以上,400℃/100 h/380 MPa下的残余应变为0.048%,450℃时的断裂强度大于1000 MPa,延伸率δ5在12%左右.BT25y合金组织类型的差异对高温性能影响不大,具有良好的热稳定性.

BT25y钛合金精锻棒材组织与性能的研究

研究了BT25y钛合金精锻棒材的组织与力学性能。结果表明:具有网篮组织和等轴组织的BT25y钛合金精锻棒材室温、高温拉伸性能较好,且两者拉伸性能十分接近,而魏氏组织的断面收缩率和延伸率较低,表现出较差的塑性;魏氏组织、网篮组织和等轴组织在400℃温度、700 MPa应力条件下均具有较好的持久性能;在400℃温度、380 MPa应力、100 h蠕变条件下,魏氏组织、网篮组织具有较好的蠕变性能,等轴组织的蠕变性能则相对较差。

固溶温度和冷却速率对BT25钛合金组织的影响

通过温控精度达到0.5℃/s的高精度快速相变仪研究了固溶温度和冷却速率对BT25钛合金显微组织的影响规律。结果表明:BT25钛合金的显微组织中等轴α相数量随固溶温度的升高而减少,同时β晶粒逐渐长大,组织形态从等轴组织过渡到双态组织,当固溶温度超过β相变点时组织从双态组织演变为魏氏组织;随着冷却速率的升高,显微组织中的α片层厚度逐渐降低,当冷却速率大于10℃/s时,可以抑制晶界α相的产生;在低冷却速率时的大晶粒尺寸的片层组织的断裂方式为延性韧窝断裂和解理断裂混合,当冷速提升后,断裂方式为韧性断裂。