钛合金 - 图文

大截面Ti 6-4 ELI坯的加工和性能

Christopher McDaniel1, Charles Bresson1, Manish Kamal1, Vasisht Venkatesh2 and Steven P.Fox2

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TIMET, PO Box 309, Toronto, OH 43964, USA

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TIME-HTL, PO Box 2128, Henderson, NV 89009,USA

Ti 6-4 ELI的海洋应用持续增长，如今对大横截面（125-254mm厚）材料的需求不断增加。这些新的应用，要求Ti 6-4 ELI材料具有高的强度和伸长率，以及高的韧性。我们进行了一系列小尺寸的实验室热处理试验，并测试了它们的机械性能（拉伸强度和断裂韧性）和组织性能。在实验的基础上，对各种不同截面厚度和几何形状的大尺寸产品进行了评价，确立了力学性能、组织和对超声波的反应能力。实验室和生产中得出的样品都进行了评价。在这篇文章中，我们将呈现组织特征与力学性能以及与超声波响应之间的关系。

关键词：钛（Ti），海洋工程，大截面，再结晶退火，拉伸，断裂韧性，J-整体，微观结构，超声波

1 引言

在海洋工程中，钛的使用不断增加。许多新的应用需要大截面Ti 6-4 ELI的生产。最近已经开发出5到10英寸截面厚度钛产品加工工艺路线。代表最大截面热处理过的Ti 6-4 ELI锻件已经生产出来了。这些锻件可用于成品部件的后续加工。在先前的矩形和圆形的二次锻造产品的实验中，对大截面块状的实验室的热处理研究，以及先前锻造部件生产开发的热处理经验基础之上，锻件的加工工艺路线被开发出来。

最近被生产出来满足新的海洋工程应用的大截面锻件为矩形或圆形凹陷。各种产品的加工路线从本质上来讲是是类似的，最初对铸锭进行β热加工，随后进行α、β预应变热加工，到一个中间点。然后产品被加热到β转变温度以上，进行重结晶，然后进行锻造和水淬，最后进行α-β锻造到终锻尺寸。

热处理前，圆形锻件中心被移除，形成中空来减少总的有效截面厚度。所有

锻件加工是通过再结晶退火处理，由亚转变（Bt-75°F）固溶退火两小时，随后在1350°F进行轧机退火两小时。锻件冷却的速度在名义上相当于空冷。锻件进行垂直热处理，是为了尽量减少或防止热变形。实际热处理是基于接触的热电偶控制。对各种锻件进行测试，以符合机械性能和结构完整性评价的要求，并且内部通过超声波检查。各部分的加热时间是基于特定的横截面的热模型和炉配置。 2 材料评估 2.1 力学性能

各种锻件规格要求对锻件的整体试样进行力学性能测试。室温拉伸试验是在长横、短横的方向进行。纵向测试也在有限的范围进行的，因为它不是一个交付的规格要求。断裂韧性试验是30°F下，在T-S（C-R）进行的。从每个锻件中取出多个标本。锻件试样的标准规范被利用（如图1）。

Figure 1. Test specimen layout for Timetal 6-4 ELI forgings.

图1 Ti 6-4 ELI锻件试样测试规格

各种锻件横截面厚度的平均拉伸性能变化是相似的，尽管截面厚度不一样（图2）。较薄的截面处的强度水平稍低归因于在热处理周期中采用真空热处理和较慢的冷却速率。在高温下的低氧含量也导致了强度等级较低。分析数据表明：虽然不同截面厚度导致了强度的差异，但是就延展性差异而言，无统计学意义。

Figure 2. Average tensile property results for the forgings.

图2 锻件平均拉伸性能试验结果

在生产实践中，为了评估锻件各向同性的特点，锻件的拉伸方向也被检查了。结果表明，在锻件中一般符合各向同性条件。各向同性条件可以归因于材料的多方向锻造，特别是在生产中的矩形块锻造。在圆形空心锻造中表现出一些方向性的指示，特别是面积减少时结果最明显。这种方向性很小，是由于在圆形锻件产品生产过程中进行大量的单向锻造。

Figure 3. Average tensile property results for the forgings.

图3 锻件平均拉伸性能试验结果

尽管截面厚度不一样，锻件的平均断裂韧性也表现出类似的结果（图4）。评估结果表明，在不同截面尺寸下无显著差异。对锻件没有做出方向性的评价。 然而，根据拉伸试验结果，预计影响很小。

Figure 4. Average Fracture toughness results for the forgings.

图4 锻件的平均断裂韧性结果

2.2 超声波检测

根据AMS-STD-2154等级，对所有生产的锻件进行常规超声波检测。在生产的锻件中没有发现不合格的。检查的结果如图5所示。

Figure 5. Summary of the ultrasonic inspection results for the various forgings.

图5 各种锻件超声波探伤结果的总结

2.3 结构评估

锻件的结构评价包括宏观和微观两个评价。宏观上，所有锻件组织细小、均匀，典型的锻件产生工艺路线包括重结晶步骤。从每个锻件的两端取薄片，所有

锻件的宏观评价是：水平20%至30% AMS2380E。组织被观察并被确认为α-β加工和热处理的代表，由细小的等轴晶和稍微细长的初生α和β转变基体的混合物组成（图6）。横截面结构是一致的，并没有表现出优先细化。结构并没有表现出对延展性和韧性不利的长的连续晶界α。结构特征的混合物一般与较高的强度和韧性基本一致，保持高水平的延性（伸长率）。混合结构呈现困难的裂纹扩展路径，产生良好的断裂韧性。

Figure 6. Typical mixture of equiaxed and slightly elongation microstructures for Timetal 6-4

ELI forgings produced.

图6 Ti 6-4 ELI锻件典型的等轴晶、略伸长组织的混合物

3 讨论

回顾当Ti的大截面锻件的概念第一次提出的时候，也没有满足一定厚度以及力学性能要求的Ti 6-4 ELI材料的信息。实验室的热处理被用来在较大的横截面上显示。结合各种锻件截面尺寸的热模型，这些试验支持锻件生产工艺路线的发展。

锻件的拉伸结果：在特定的截面尺寸下，具有均匀的强度和延展性。矩形截面和圆形凹陷的结果之间的差异可以归因于在热处理过程中冷却速率的差异。冷却速率的轻微调整将会提高中空锻件的强度，达到矩形锻件的强度水平。结果表

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