TC19合金铸锭中Zr、Mo元素的宏观偏析行为

为了提高航空发动机转动件用高温钛合金铸锭的成分均匀性,本工作研究了真空自耗电弧熔炼(VAR) TC19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo,质量分数,%)合金工业化铸锭中合金元素的宏观偏析行为,运用定向凝固技术分析了合金元素的偏析机制。结果表明,Al、Sn元素无明显宏观偏析,Zr、Mo元素存在宏观偏析。Zr元素在铸锭中心等轴晶区含量低,顶部冒口区含量高;Mo元素分布与Zr的分布趋势相反。Zr、Mo元素偏析与铸锭凝固组织相对应。凝固速率差异是造成Zr、Mo元素宏观偏析的主要原因;表面细晶区和柱状晶区由于较快的凝固速率,元素来不及再分配,基本保留液相的均匀成分;铸锭心部等轴晶区由于其较低的凝固速率和温度梯度,固/液界面呈平面或胞状,有利于元素在固/液界面充分再分配,使得凝固分配系数小于1的正偏析元素Zr在液相中的浓度大于固相,随凝固过程沿铸锭心部向冒口方向逐渐增加;凝固分配系数大于1的负偏析元素Mo在液相中的浓度小于固相,沿铸锭心部向冒口方向逐渐减少。液固两相的密度差造成等轴晶沉降及浮力促进了元素的宏观偏析。电磁搅拌产生的Lorentz力是熔池流动的主要驱动力,使熔池产生环轴向流场,与浮力产生的密度流和自感Lorentz力产生的环流相互作用,可降低溶质元素宏观偏析。

固溶温度对TC19钛合金微观组织和冲击性能的影响

对ϕ140 mm的TC19钛合金试棒分别进行了在910℃、930℃、950℃和970℃加热2 h水冷的固溶处理。随后检测了试棒的显微组织、冲击性能和冲击断口的微观形貌。结果表明:随着固溶温度的升高,TC19合金中初生α相减少且大多呈等轴状;在单相区温度固溶处理的合金初生α相完全消失,出现粗大β相;随着固溶温度的升高,合金在裂纹萌生阶段吸收的能量减小,而在裂纹扩展阶段吸收的能量逐渐增多,即合金的冲击性能降低;在两相区温度固溶处理的TC19合金冲击断口主要由等轴状韧窝构成,且随着固溶温度的升高,韧窝数量减少;在单相区温度固溶处理的合金冲击断口主要呈岩石状,且有明显的空洞。

中温高强TC11和TC19钛合金锻件组织与性能研究

针对航空发动机压气机整体叶盘等部件所使用的TC11、TC192种中温高强钛合金锻件,基于其各自典型使用状态,开展了组织形貌和不同条件下拉伸性能、冲击韧度以及保载/无保载条件下低周疲劳性能的对比分析研究。结果表明:TC11钛合金锻件呈现典型的双态组织,TC19钛合金锻件呈现全片层网篮组织;TC19钛合金锻件在100~400℃下的拉伸强度明显优于TC11钛合金锻件。TC19钛合金锻件的高温缺口冲击韧度值明显高于TC11钛合金锻件,在100℃和855MPa峰值应力载荷下,TC19钛合金锻件的保载和无保载疲劳寿命均明显高于TC11钛合金锻件,且2种合金均存在一定的保载效应。

固溶温度对TC19钛合金组织与力学性能的影响

选取TC19钛合金棒材,对其进行不同温度的固溶处理,随后使用光学显微镜、维氏硬度计、拉伸性能试验机进行检测,并研究其组织与力学性能的关系。结果表明:合金经不同固溶温度处理后,组织中初生α相含量随固溶温度升高而逐渐减少,在加热温度超过相变点后,组织中初生α相完全消失,同时组织中有大量次生α"相析出。当固溶温度位于两相区时,其维氏硬度随温度的升高而升高,当温度达到相变点附近时,其硬度较为平稳,升高幅度较小。随着固溶温度不断升高,其强度随之升高,而合金的塑性与强度呈现出相反趋势,当固溶温度为990℃时,强度值最大,其中抗拉强度为1198MPa;当固溶温度为930℃时,合金塑性最佳,断后伸长率为11%,断面收缩率为17%。

热处理对TC19钛合金β晶粒尺寸和拉伸性能的影响

以TC19钛合金棒材为研究对象,研究了该合金在β相区的晶粒长大特征和机制,并分析了其对拉伸性能的影响规律。结果表明,在975~1 005℃,TC19钛合金的β晶粒长大规律可用Beck方程描述,其在975、990、1 005℃的晶粒长大动力学指数分别为0.517、0.521、0.536。利用Arrhenius公式计算得到TC19钛合金β晶粒长大的表观激活能Q为226.9 kJ/mol。拉伸实验结果表明,TC19钛合金的室温强度对原始β晶粒尺寸不敏感,其断口形貌为典型的准解理断裂。

TC19钛合金棒材的研制

用1 t真空自耗电弧炉试制出360 mm的TC19合金铸锭。采用常规β锻造+(α+β)锻造和高-低-高锻造(即β锻+(α+β)锻+β锻)两种锻造工艺,分别制备出相同规格的60 mm TC19钛合金棒材,锻棒微观组织细小均匀,均为在β转变基体上均匀分布的等轴初生α组织。对两种工艺的锻棒进行双重退火和固溶加时效处理,处理后的显微组织和力学性能均符合MIL-T-9047标准的要求。常规锻造工艺和高-低-高锻造工艺均可用来锻造TC19合金棒材,但采用高-低-高锻造工艺得到的棒材的力学性能优于常规锻造工艺。

固溶时效对TC19钛合金棒材组织及性能的影响

对TC19钛合金棒材进行固溶时效热处理,利用SEM及力学性能测试研究固溶温度、时效温度对其组织及室温力学性能的影响,并对不同固溶冷却方式及时效时间下的组织和力学性能差异进行对比研究。结果表明:固溶处理后棒材组织为初生α相和亚稳态β相基;再经时效处理后组织转变为分布在β相基体间的条状初生α及弥散在β相中的细小α析出相。当时效温度一定时,随固溶温度的升高,强度增加,塑性下降;当固溶温度一定时,随时效温度的升高,强度先略微升高后降低,塑性升高;固溶后冷却速度较快及延长时效处理时间时,试样均呈现强度升高,塑性下降的规律。热处理工艺为860℃/1 h,空冷+570℃/4 h,空冷时,棒材强塑性匹配最佳。

Ti150与TC19异种钛合金钎焊工艺与接头性能研究

高温钛合金Ti150是能在600℃环境下长期服役的新型高温钛合金,TC19钛合金是一种富β的α+β两相钛合金,具有高强度、高韧性的特点。采用Ti-21Cu-13Zr-9Ni(wt.%)非晶合金箔带作为钎料,进行了Ti150高温钛合金与TC19钛合金的真空钎焊连接工艺研究。通过扫描电镜分析接头组织,利用万能试验机测试接头室温和高温拉伸强度。结果表明:在930℃/35 min钎焊条件下,接头室温抗拉强度955.3 MPa,500℃高温抗拉强度达到540.0 MPa,550℃高温抗拉强度达到505.6 MPa,接头室温拉伸试样断裂于焊缝,断口总体为脆性断裂,接头高温500℃、550℃拉伸试样均断于Ti150基体上或近Ti150端面上,Ti150基体端断口有明显的延伸塑性变形。