Ti-1023 チタン棒の特性と構造

Ti-1023 チタン合金は、信頼性が高く、低コスト、高強度、高靭性のニアベータチタン合金です。 公称組成は Ti-10V-2Fe-3Al です。 高い比強度、良好な破壊靱性、大きな焼入れ断面、小さな等方性異常、低い鍛造温度、および強力な応力腐食耐性という利点があります。 高信頼性と低製造コストの設計要件を満たせるため、航空宇宙分野で広く使用されています。

この記事では、インゴットの組成と棒の巨視的、微細構造および機械的特性を調査することによって、Ti-1023 合金棒の合理的な製造プロセスを要約し、期待される結果を達成します。

1. 実験

実験では、{{0}}A グレードの小粒子スポンジチタンと多元素母合金を 2 t で一緒に供給し、真空消耗式電気炉で 3 回溶解して 65{{8 }} mm Ti1023 チタン合金インゴット。 主成分（質量分率、％）Ｖは９．０％～１１．０％である。 、Feは1.6%～2.2%、Alは2.6%～3.4%、残りはTiであり、GJB1538の要件を満たしています。 鋼塊をライザー、ボトム、鋸刃に切断した後、軸方向周方向の頭部、中間部、尾部（図1）と断面の9時位置（図2）からサンプルを採取し、コンポーネントは主に原子発光分析を使用してテストされます。 合金元素（Al、V、Fe）およびその他の不純物元素の含有量。

図1 インゴット長手面のサンプリング点の模式図

図2 インゴット断面9時の位置でのサンプリングの模式図

Ti-1023 チタン合金インゴットから適切なサンプルを切り出し、金属組織学的な方法を使用して相/相の変態温度が 805 ～ 810 度であることを決定します。 インゴット全体を「高・低・高・低」のプロセスルートで加工・鍛造します。 45/50MNの高速鍛造機を使用して鋼ビレットを単相領域（ - 相領域）で開き、最終的に160mmの完成棒に鍛造されます。

GJB1538 規格に従って、厚さ 20 mm の試験片と長さ 80 mm の試験片が 160 mm の棒から縦方向に切り出され、Ti-1023 チタン合金棒の構造と機械的特性を決定するためにさまざまな性能試験が実施されました。 厚さ20 mmの試験片を平らにした後、R状態、ポイント（785度×1.5h WC 530度×8h AC）および固溶体時効（775度×1.5h WC 540度×8h AC）を確認します。 組織を拡大し、ICX41M 金属顕微鏡を使用して組織の形態を観察し、金属組織写真を撮影します。 長さ80 mmのサンプルロッドをマッフル炉内で775度×1.5時間WCおよび540度×8時間ACで熱処理した後、H-5550K半自動バンドソーを使用して横方向および縦方向のサンプルロッドを切断しました。 D. /4 サンプルブロックの試験片ブランク。 、標準要件に従って機械的特性試験片に加工され、室温での引張機械的特性試験が行われます。 引張試験は、CMT5205 引張試験機で測定されました。 同時に、完成した棒材は接触超音波非破壊検査も行われます。

2 結果と分析

2.1. 鋼塊の化学組成の分析

製品のサンプリング要件に従って、鋼インゴット表面の縦方向の頭部、中間部、尾部および断面の9点でサンプルを採取し、さまざまな部分の主要合金元素の含有量を検出しました。 試験結果は、錠剤の化学組成が関連技術基準の要件を満たしていることを示しています。 特に、長手面の頭尾位置における不純物元素（C、N、O、H）の含有量の検出結果はいずれも規格範囲を満たしており、インゴットの純度が非常に高いことがわかります。

図 3 は、インゴットのさまざまな部分の主な合金元素の化学組成の統計図です。 サンプリング点の位置は、インゴットの外側の丸頭、中間、尾部の長手面（点 1 ～ 3）と、頭部、中間、尾部の 3 つの断面（点 4 ～ 30）です。 。 図3からわかるように、外側円形表面の上部、中央、下部の点で測定された主要元素Al、V、Feの化学組成はわずかに変動しています。 Al元素の含有量は3.16%〜3.24%です。 V元素含有量は9.86%です。 ~1{{20}}.06%; Fe元素含有量は1.77%〜1.89%です。 AlおよびV元素の偏差は0.2%以下であり、その中で偏析しやすい元素Feの偏差は0.12%以下であり、製造されたインゴットの軸方向の化学組成が均一であることを示しています。 インゴット ヘッド、ミドル、ボトムセクションの 9 点の化学組成検査はすべて標準要件を満たしています。 主元素であるAlとVの最大偏差は0.13%～0.27%以下、偏析しやすいFe元素の偏差は0.34%以下です。 全体として、インゴットの均一性は良好であり、すべての要素成分が技術基準を満たしています。

図3 Ti-1023チタン合金インゴットの各位置における合金元素組成図

鋼塊の真空消耗アーク溶解工程においては、偏析しやすい元素であるFeが存在しており、鋼塊の溶解中に組成の不均一や偏析が発生する場合があります。 チタン合金の状態図と合金凝固理論によると、通常の凝固条件下では、合金元素と母合金が溶解中に完全に均質化されない限り、偏析係数 k が 1 以上の合金元素は偏析しにくいとされています。プロセス; 偏析係数 k < 1 の元素を持つ合金では、合金が溶融状態で均質であっても、凝固中の同じ温度における固相組成と液相組成の間には依然として一定の差が存在します。 液相中の元素含有量は常に固相中の元素含有量よりも高いため、インゴットの中央部と頭部に偏析しやすくなります。 図 3 からわかるように、Fe 元素の含有量はセクションの頭部の中心点でわずかに高く、次に中央、最後に尾部と続き、これは上記の分析と一致しています。

全体として、Ti-1023 チタン合金 2t グレード インゴットの主な合金元素の化学組成は均一に分布しており、純度が高く、そのすべてがインゴットの技術要件を満たしています。 これは、製錬プロセスにおける原材料の選択とインゴット鋳造の重要性も示しています。 プロセス制御およびその他の側面は合理的かつ実現可能です。

2.2. 棒構造および形態解析

Ti-1023チタン合金の表面腐食用160mm丸棒の頭尾位置から試験片を切り出した後の鍛造状態（R状態）の写真。

図 4 からわかるように、低倍率での棒材の組織は均一なファジー結晶であり、偏析や介在物などの冶金的欠陥はなく、鍛造素材が十分な変形を達成していることがわかります。 4,500- トンの高速鍛造機の大きなトン数の圧力を利用して、「高-低-高-低」プロセス ルートが複数の火造り鍛造に使用され、鋳放しの粒子を完全に破壊し、逆鍛造を行います。ビレットの鍛造貫通力を向上させます。 特性を向上させ、ロッドの構造をより均一にします。 鍛造プロセスは、ニアベータ合金のベータマトリックス再結晶化が急速に完了するときに非常にゆっくりとした結晶粒成長という加工特性を利用し、金属粒子が繰り返し破壊され、亜結晶粒が合体して成長し、結晶粒界が形成されます。移行するため、最終的なバー構造は均一になる傾向があります。 これはロッドの均一な構造と優れたパフォーマンスのための優れた基盤を築きます。

図4 さまざまな位置でのφ160mmTi-1023チタン合金棒のR状態写真：（a）頭部。 (b) 尾部

棒試験片の主軸頭の位置に対応する異なる領域（エッジ、D/4、中央）から横断サンプルを切り出し、溶体化時効熱処理後のR状態と微細組織を観察します。 図 5 および図 6 を参照してください。図 5 からわかるように、ロッドの R 状態の微細構造は、マトリックスとそのマトリックス上に分布した均一で微細な等軸の初相で構成されています。 初相の平均サイズは約 3.5 μm であり、初相の体積分率は 35% 以上です。 図 6 からわかるように、固溶体時効処理後は等軸結晶粒がより明瞭になり、鍛造変形などのプロセス パラメーターが妥当であることを示しています。

図5 さまざまな位置におけるφ160mmTi-1023チタン合金ロッドのR状態の微細構造：（a）エッジ。 (a) エッジ。 (b) D/4; (c) センター

図6 溶体化時効処理後のさまざまな位置におけるΦ160mmTi-1023チタン合金ロッドの微細構造：（a）エッジ。 (a) エッジ。 (b) D/4; (c) センター

2.3. バー点検出結果

Ti{{0}} チタン合金中の Fe 元素の平衡分布定数は 0.3 であり、偏析しやすい傾向があります。 Ti-1023 チタン合金に点が形成される主な理由は、「Fe」合金材料の局所的な偏析と濃縮であり、その結果、この部分の相変態温度がマトリックスの温度よりも低くなり、初相を含まない相、または相の含有量が比較的まばらな相。 豊かなFe地域。 この点は、合金の塑性と低サイクル疲労寿命に重大な影響を与えます。

TB6 合金インゴットの Fe 組成の不均一はスポットの形成につながる「先天的」要因であり、その後の熱処理および熱処理プロセスがスポットの形成に影響を与える「後天的」要因です。 GJB1538 の熱処理プロセスに従い、785 度×1.5 h WC および 530 度× 8 h AC を選択してロッドを作成しました。 ロッド本体の観察により、ロッド本体の肉眼的形態に局所的な異常がないことが明らかになりました (図 7)。 微細構造中の初相含有量は約 15% であり、初相含有量が 10% を超えるという GJB1538 標準要件を満たしていました。 図 8 に示すように、これは、製錬プロセスと鍛造プロセスがスポットの制御に一定の重大な影響を与えていることを示しています。

図8 Φ160mm Ti-1023チタン合金棒の微細構造：（a）エッジ。 (b) D/4; (c) センター

表 1 から、ロッドのすべての特性が関連指標の要件を満たしていることが明確にわかります。 可塑性が高く、横方向、縦方向の強度が均一であり、塑性規格値に対してある程度の余裕を持っています。 これは、鍛造中に比較的十分な変形を達成するために適切な技術が使用されているため、バーの全方向の構造均一性が比較的良好で、その差が小さいことを示しています。

2.5. 棒材の超音波検査

SonATEST 380M 超音波探傷器とオリンパス V109 プローブを使用して、Φ160 mm Ti-1023 チタン合金仕上げロッドの超音波探傷を実施しました。 波形から判断すると、ノイズレベルは 20% 以下であり、ノイズは均一であり、明らかな欠陥信号はありません。 、一番下の波の変化振幅は 6 dB 未満、騒音レベルは音道の半分ですか? 1.2 –9 dB ～ –12 dB (図 9)。これは、完成したロッドが GB/T5193-2007 規格の A1 レベル要件を満たすことができることを示しています。 図 9 では、横軸は深さを表し、縦軸は信号の高さを表します。 全画面表示は 100% として計算されます。