BT25钛合金是俄罗斯上世纪70年代研制的一种综合性能优良的α+β型热强钛合金，名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-2Sn-2Mo-1W-0.2Si，它兼有BT9(TC11)合金的高热强性和BT8(TC8)合金的热稳定性，适合在500～550℃下长时工作。据相关文献介绍,用BT25钛合金制造的零件在500℃以下工作时间可达6000h，在550℃可达3000h。

国内将该合金牌号命名为TC25，是首次研制的，因此。有必要系统地对TC25钛合金进行全面的组织和性能研究。本文针对500～550℃工作温度下长时使用的环形零件开展了全面的性能研究。特别是首次开展零件的断裂韧性、裂纹扩展速率、T形缺口冲击韧性等的研究。将为新型高温环形零件的应用提供依据。

1、实验材料与方法

环形件实验原材料为自行研制的TC25棒材，尺寸为6170mm，化学成分为(质量分数，％)：6.2～7.2A1，1.5~2.5Mo，0.8~2.5Zr，0.8～2.5Sn，0.5～1.5W，0.10～0.25Si．杂质总量<0.3。余为Ti。棒材显微组织如图1所示。利用金相法测得此合金的α+β/β转变温度为1010~1020℃。

采用β锻和α+β锻两种锻造工艺进行环形件的研制。工艺路线：下料一》加热一》中间锻造一》加热一》成品锻造或轧制一》热处理一》机加一》无损检测一》性能测试一》成品环材一》检验一》入库。

环形件成品尺寸为φ415mm/φ320mm×55mm，锻后采用整体热处理，然后进行解剖取样，按相关技术条件、规定观察高低倍组织和测试环形件弦向的力学性能。

2、实验结果与分析

2.1 β锻TC25钛合金环形件组织和性能

β锻加热温度为β相变点以上10～50℃左右，在α+β区完成锻造。加热时严格控制在高温区停留的时间。采取在两相区一定温度预加热，最后再加热到目标温度的分段式加热制度规定的温度。热处理温度：950～970℃(温度允许在β转变温度以下30~50℃范围内调整)，保温1～4h(时间按锻件实际厚度确定)，空冷；530~570℃保温6h，空冷。

2.1.1 β锻TC25钛合金环形件显微组织

图2为β锻TC25钛合金环形件热处理后的显微组织。图(a)为β锻造环形件的横向低倍组织，属于模糊晶。图(b)是其高倍组织，为片状组织。该组织较图1棒材的等轴组织相比，初生仅相有了明显的变大变长。由于环形件工艺设计的总锻比较小，组织变形不够充分，晶粒没有得到有效破碎，因此，环形件的各个部位显微组织中的初生α相较大。

2.1.2β锻TC25钛合金环形件力学性能

表1为β锻环形件热处理后室温和500℃高温拉伸性能。可见无论是室温还是高温，各项测试数据均符合俄罗斯模锻件的技术指标要求[5-6]，塑性富裕量大且测试值比较均匀。但高温强度富裕量稍小。

表2为β锻环形件的室温T形缺口冲击韧度、断裂韧性以及裂纹扩展速率。可见，β锻TC25钛合金环形件具有优良的损伤容限特性。

2.2 α+β锻TC25钛合金环形件研制

α+β锻加热温度为β相变点以下30～60℃左右。热处理温度：950-～970℃(温度允许在β转变温度以下30~50℃范围内调整)，保温1~4h(时间按锻件实际厚度确定)，空冷；530～570℃保温6h，空冷。

2.2.1 α+β锻TC25钛合金环形件显微组织

图3是α+β锻TC25合金环形件的显微组织。图(a)为α+β锻造环形件的横向低倍组织，属于模糊晶。图(b)是其高倍组织，为双态组织。由于加热温度在β转变点以下，故组织中还有大量的等轴组织。

2.2.2 α+β锻TC25钛合金力学性能

表3为α+β锻TC25钛合金环形件的室温拉伸性能、高温拉伸性能、550℃热稳定性、冲击韧度和硬度的实测数据。可见各项测试数据均符合俄罗斯模锻件的技术指标要求．塑性富裕量大且测试值比较均匀．但高温强度富裕量稍小。aα+β锻环形件能获得优良的强度和韧性匹配。

表4为α+β锻TC25钛合金环形件的室温T形缺口冲击韧性、断裂韧性以及裂纹扩展速率。可见，α+β锻TC25钛合金环形件也具有优良损伤容限特性，但α+β锻环形件的断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率还是要略差于β锻环形件。

2.3 讨论

α+β锻和β锻环形件高、低倍组织、室温拉伸性能、高温拉伸性能、热稳定性、冲击韧性的实测数据等均符合俄罗斯热强钛合金BT25的模锻件规定的要求。而在实际使用中，依据损伤容限特性标准进行失效一安全设计具有重要的意义。研究表明，钛合金的断裂韧性与裂纹扩展路径和曲折程度有关。裂纹扩展通常沿α相的界面进行。因为该相界面结合能较弱。当裂纹扩展方向与α相界面方向一致时，裂纹沿仅相界面方向扩展，当裂纹扩展方向与α相界面方向不同时，裂纹将产生停滞效应或被迫改变扩展方向，从而消耗更多的能量。使断裂韧性值提高同。而断裂韧性值的主要影响因素是α相形态和含量。α锻形成片状组织，其α相的形态为片状，α片层集束的不同取向阻碍了裂纹扩展，当裂纹穿越束界时改变方向，导致裂纹分叉和二次裂纹萌生，这些过程需消耗更多的能量，导致断裂韧性提高。而α+β锻形成含有大量等轴状的双态组织，由于既含有片状仪相又含有等轴α相。裂纹遇到等轴组织时能平直地从其中穿过，无需很多能量，裂纹也不会分叉；而遇到片状组织时．只能沿着相界面扩展或穿过α集束，消耗更多的能量，裂纹随着仅片和α集束位向的变化不断改变扩展方向，断裂韧性也较高，但要低于β锻。

α+β锻形成的双态组织，虽有高的塑性和热稳定性，但锻件的损伤容限特性差，这对高温使用零件来说，不能发挥钛合金的性能潜力。β锻形成的片状组织。能够提供比α+β锻更好的蠕变性能和断裂韧性等损伤容限特性。因此，β锻更适合用来制造500～550℃工作温度下长时使用的构件。

3、结论

(1)采用β锻工艺研制的TC25钛合金为片状组织。α+β锻为等轴组织。两种工艺的研制出的环形件综合性能优良，组织与性能均超出相关技术指标要求，与俄罗斯材料数据水平相当。

(2)β锻和α+β锻研制出的环形件均具有良好的室温T形缺口冲击韧性；β锻环形件的室温断裂韧性、室温疲劳裂纹扩展速率要略优于α+β锻环形件。

(3)β锻比α+β锻更适合用来制造500～550℃工作温度下长时使用的构件。

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