Research of microstructure evolution of damage tolerance titanium alloy tc4 dt during grain refining

Research of Materials Science December 2014, Volume 3, Issue 4, PP.64‐68

Research of Microstructure Evolution of Damage Tolerance Titanium Alloy TC4-DT during Grain-Refining and Homogenizing Deformation Process Zhishou Zhu 1#, Xinnan Wang 1, Guoqiang Shang 1, Jun Li1, Yue Fei1, Jing Li 1, Liwei Zhu 1, Hanqing Yu 2 1. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China 2. Northwestern Polytechnic University, Xi’an 710072, China #

Email: zhuzzs@126.com

Abstract The microstructure evolution of damage tolerance titanium alloy TC4-DT during grain-refining and homogenizing deformation process has been studied in this paper. The results showed that, when the alloy was deformed at 950℃～975℃ in single  phase, dynamic recrystallization would occur simultaneously with grain-boundary-phase breaking and inner-grain refining process and would lead to significant grain-refining and homogenizing effects, which had also been verified in the deformation of a TC4 titanium ingot. With the increase of forging deformation, the alloy’s microstructure was refined with the result of decrease in ultrasonic noise value and increase in tensile plasticity after subsequent quasi- heat treatment. Low noise value in ultrasonic detection is an important guarantee for safe and reliable applications of large scale aviation-oriented structures.

Keywords: Titanium Alloys; Damage Tolerance; Recrystallization; Ultrasonic Detectio; Refined Grain Structure

TC4-DT 损伤容限型钛合金细晶化加工过程组织 演变研究* 朱知寿 1，王新南 1，商国强 1，李军 1，费跃 1，李静 1，祝力伟 1，俞汉清 2 1 北京航空材料研究院，北京 100095 2 西北工业大学，陕西 西安 710015 摘

要：针对我国大量采用的 TC4-DT 新型损伤容限型钛合金，研究了大型铸锭与锻坯均匀细化变形过程中的组织演变规

律。结果表明，当变形温度在 950℃～975℃的单相区时，随变形量增加和变形温度的逐渐降低，动态再结晶会与晶界 相破碎和晶内细化共同作用，使坯料的组织发生有效的细化和均匀化。该组织演变规律在大型铸锭的开坯锻造和随后的变 形过程中得到了进一步的验证。坯料经组织细化后增加了超声波探伤对缺陷的敏感性，提高了准热处理后片层组织的静 力拉伸塑性。低的超声波杂波水平是 TC4-DT 钛合金损伤容限钛合金大型构件安全可靠使用的基本保障。 关键词：钛合金；损伤容限；再结晶；超声波探伤；细晶组织

引言 损伤容限型钛合金航空关键承力构件上的大量应用是新一代飞机先进性的主要标志之一[1,2]。自 20 世纪 60 年代开始，美国等国家主要通过降低超低超低间隙元素含量，并采用普通热处理工艺获得粗片层组织来提高 *

基金资助：航空基金支持（2012E62120R，2007ZF21011）。 - 64 http://www.ivypub.org/rms

断裂韧性和疲劳裂纹扩展抗力，从而发展了中等强度的 Ti-6Al-4V ELI 和高强度的 Ti-6-22-22S 两种损伤容限型 钛合金[3]。我国也在近十年来相应发展了 TC4-DT 和 TC21 两种损伤容限型钛合金，为了改善强韧性和损伤容 限综合性能匹配，采用了准热处理或准锻造工艺，大大改善了片层组织或网篮组织的塑性与损伤容限性能的 匹配，并实现了在飞机关键承力结构部件上的大量应用[4,5]。 在实际应用中，特别是大厚度或大型坯料，超声波探伤杂波低和对缺陷可探性高的细小均匀组织是钛合金 采用随后的 β 热处理或 β 锻造工艺来获得高塑性片层或网篮组织的前提条件。 本文针对中等强度钛合金 TC4-DT 大厚度坯料，重点研究细化和均匀化变形的组织演变过程，以及对性能的影响关系。

1

研究内容与方法 试 验 选 择 航 空 关 键 主 承 力 结 构 用 中 强 高 韧 损 伤 容 限 型 TC4-DT 钛 合 金 ， 名 义 化 学 成 分 为

Ti-6Al-4V-0.11O(wt%)，使用状态的锻件极限强度为 840MPa 左右。为了研究大型坯料均匀化和细化变形过程 中的组织演变规律，首先通过热模拟试验，研究了不同变形温度、变形速率和变形量对 TC4-DT 钛合金动态 再结晶行为的影响。在此基础上，试验采用 TC4-DT 钛合金 3 吨级工业化大型铸锭，在 2000t 快锻压力机机 上进行不同方向的镦拔变形，以进一步验证模拟试验组织演变规律。通过检测 TC4-DT 钛合金组织演变、超 声波探伤杂波变化、力学性能的影响关系，以便考察细晶化和均匀化处理对最终钛合金锻件组织和性能的影 响效果。

2

研究结果与分析

2.1 锻造变形与组织均匀化控制

(a) 850℃

(b) 900℃

(c) 950℃

(d) 975℃



图1 TC4-DT钛合金在不同变形温度下的组织演变（应变速率  为0.1s-1，变形程度为70%）

(a) 40%

(b) 70% 

图2 TC4-DT钛合金在不同变形程度下的组织演变（应变速率  为0.01s-1，变形温度为975℃）

试验首先研究了 850C～1000C 间变形温度、变形速率和变形程度等工艺参数对坯料动态再结晶的影响 关系。结果表明，TC4-DT 钛合金在 850C 附近的较低温度变形时只发生动态回复，随变形程度的增加，晶 粒被拉长，原始晶界被破碎（见图 1（a））。当在 900C 温度下加热变形时，随位错密度的不断增加后可 发生动态再结晶，晶粒得到了一定程度的细化（见图 1（b））。但当变形温度超过 950℃～975℃的单相区 时，动态再结晶会与晶界破碎和晶内细化同时发生（见图 1（c）和（d）），产生了有效的细化和均匀化作 用。在一定的变形速率下，增加变形程度（见图 2（b））可增加细化效果。对比图 1（d）和图 2（b））可 - 65 http://www.ivypub.org/rms

知，在一定的变形程度下，通过适当降低变形速率对组织均匀性有利。

2.2 大型铸锭组织细化与均匀化 为了验证上述变形的组织演变规律，试验采用 TC4 钛合金 3t 大型铸锭（铸锭直径620mm）研究了不同 变形温度和变形量对大型坯料的低倍组织和显微组织演变影响[6]，为了破碎大型铸锭的粗大铸造组织，最初 的 3 火次加热变形温度为相变点以上 50C～80C 的单相区进行，每火次的锻造变形量也从 50％以上逐渐增 加到 70％以上，此时，粗大的铸造组织很快得到了破碎和细化。随后的相变点以下 30C 的＋两相区加热 变形，每火次的锻造变形量可控制在 70％以下。为了改善后续细化组织过程中的组织均匀性，应按坯料或半 成品的品种规格安排均匀化变形工序，一般地，加热温度应为相变点以下 30C～50C，锻造变形量应控制在 50％～70％之间为宜。

2.3 大厚度锻坯的组织与性能的均匀化控制 试验采用 Ф210mm 规格的 TC4-DT 钛合金棒坯，原始显微组织为典型的双态组织（见图 3（a，b））， 从中可以看出，原始棒材低倍和显微组织仍然较粗，相组织呈现出短棒状，球化程度不高，均匀性不好。 经多火次均匀化变形后，坯料低倍和显微组织均匀性均得到了较大程度地改善（见图 3（c，d））。这也可 以从表 1 中的超声波探伤杂波水平的降低程度中得到了验证。

（a）原始棒坯低倍组织(1)

（b）原始棒坯显微组织

（c）均匀化变形后锻坯的低倍组织(1)

（d）均匀化变形后锻坯的显微组织

图 3 TC4-DT 钛合金均匀化变形前后坯料的组织演变情况

表 1 为坯料经多火次两相区均匀化变形后对超声波探伤状态的影响。从中可知，坯料经过多火次均匀化 变形后使杂波从 A 级验收水平（Ф2.0mm-6~-9dB）提升到 AA 级验收水平（Ф1.2mm-12~-18dB）。而且经准 热处理后的坯料探伤杂波仍然达到1.2mm 平底孔探伤时的 AA 级验收水平。 表 1 两相区均匀化改锻对 TC4-DT 钛合金超声波探伤的影响 坯料厚度

改锻前探伤杂波

改锻后热处理前探伤杂波

准热处理后探伤杂波

<120mm

Ф2.0mm-6~-9dB

Ф1.2mm-12～18dB

Ф1.2mm-14～-18dB

>220mm

Ф2.0mm-6～-9dB

Ф1.2mm-12～-18dB

Ф1.2mm-2～-7dB

两相区均匀化变形不但对探伤杂波控制、低倍均匀性以及显微组织均匀性有利，还可以进一步改善 TC4-DT 钛合金锻坯的塑性性能（见图 4）。但是，均匀化变形应严格控制变形速率和每火次的变形量分配， - 66 http://www.ivypub.org/rms

否则会出现组织不均匀的缺陷（见图 5），反而会导致力学性能的恶化[7]。进一步经 x-射线衍射图可以看出 （见图 6），相比于组织正常区，组织异常的细晶区具有明显的晶体学取向性（加工织构），导致(102)α 取向 以及(200)β 取向密度的升高，从而影响了性能的不均匀性。

图 4 TC4-DT 钛合金变形程度（ε）与室温拉伸性能的关系

图 5 细晶化与均匀化变形应避免心部低倍组织异常的缺陷

3

图 6 TC4-DT 钛合金低倍组织正常和异常区域 x-射线衍射图

结论 当在 950℃～975℃的单相区变形时，TC4-DT 损伤容限型钛合金同时发生动态再结晶、晶界相破碎和

晶内细化时，组织细化和均匀化效果最佳。坯料组织细化和均匀化增加了超声波探伤对缺陷的敏感性，提高 了准处理后片层组织的损伤容限性能与静力拉伸性能的良好匹配。

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LI Jun, ZHU Zhishou, WANG Xinnan, etal. Research on Effects of Uneven Macrostructure to Mechanical Properties in TC21 Forging[J], Materials Science Forum, 747-748(2013):823-827 - 67 http://www.ivypub.org/rms

【作者简介】 1

朱知寿（1966-），男，汉族，博士，研

3

商国强（1984-），男，汉族，硕士，工程师，航空钛合金

究员，航空钛合金材料，1995 年毕业于清

材料，2008 年西北工业大学研究生毕业至今。

华大学材料系，1997 年在北京航空材料研

Email: shanggq1984@126.com

究院博士后出站至今。

4

Email: zhuzzs@126.com

料，2011 年北京航空航天大学研究生毕业至今。

李军（1986-），男，汉族，硕士，工程师，航空钛合金材

Email: lijun19860619@126.com 2

王新南（1980-），女，汉族，硕士，高级工程师，航空钛

合金材料，2006 年北京航空材料研究院研究生毕业至今。

8

俞汉清（1938-），男，汉族，大学，教授，压力加工，西

北工业大学材料学院。Email: aaafeiyue@163.com

Email: nansmily@126.com

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