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热处理对锻压TA15钛合金棒组织和性能的调控

发布时间: 2022-12-15 23:02:45    浏览次数:

随着航空航天技术的不断提高, 对生产制造航空器材料的要求越来越高, 钛合金在航空航天中具有广阔的使用前景[1] 。 国内关于 α+β 两相钛合金的研究较多, 而关于TA15钛合金的研究相对较少,TA15钛合金是一种应用十分广泛的近α钛合 金,它的强度、 热稳性和抗蠕变性均很好, 还是重要的损伤容限型钛合金[2] 。 合金成分会影响TA15钛合金的力学性能, 研究发现, 合金中的主合金元素对合金性能的影响较大, 当初生α相的含量减少、 次生α相片层的宽度较细时, 合金的强度提高, 塑性下降[3-4] 。 在热处理过程中引入 H 元素,TA15钛合金中α相和β相的相对含量也会随 H 含量的变化发生变化[5] 。 随着退火温度的不断升高,TA15钛合金晶粒的等轴化程度增大, 初生α相的含量逐渐减少[6] 。 通过退火、 固溶+时效和双重热处理等热处理工艺可以优化TA15钛合金的组织, 明显提高合金的 力 学 性 能[7-9] 。 合适的形变工艺, 可以细化TA15钛合金的晶粒, 提高其综合性能[10-12] 。 对热处理加工后的TA15钛合金进行退火, 可以使 TA15钛合金的力学性能获得最佳匹配[13] 。 热处理工艺不同,TA15钛合金中初生α相的含量和形状均会随 之变化, 进而影响合金的塑性[14] 。 因此,TA15钛合金需要经过一系列复杂的热处理, 才能获得组织均匀、 力学性能优异的半成品或零件, 所以对TA15钛合金进行系统的热处理工艺研究以及优化是非常必要的。

钛合金棒

本文通过对锻压TA15钛合金试样进行700 ~820℃的退火处理, 研究初生α相和次生α相间的转变规律, 根据热处理后锻压TA15钛合金的微观组织和力学性能的变化情况, 分析得到具有最佳性能匹配的热处理工艺。

1、试验材料与方法

试验所选取的材料为锻压TA15钛合金棒材,它的名义成分为 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。 该合金的实际化学成分如表 1 所示。

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将锻压TA15钛合金试样棒材表面全部涂覆防氧化涂料后, 先在箱式电阻炉中进行退火处理, 再进行试样棒材切割、 加工出标准试样。 热处理制度为 (700~820)℃×2 h, 空冷 (AC) (每隔 30℃设为一个热处理制度)。 退火处理工艺如图 1 所示。

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不同温度退火处理后的锻压TA15钛合金试样通过 UTM5350 电子万能试验机进行高温和室温的拉伸性能测试, 设备载荷范围为 0~300 kN, 载荷精度为 0.5%, 加载速率为 0.5 mm·min-1。 拉伸试样根据 ASTM E8/ E8M—2011[15] 标 准 制 备。 按 照 GB/ T229—2020[16] 要求, 在 JB-300 型摆锤式冲击试验机上进 行 冲 击 试 验。 采 用 U 形 缺 口 试 样, 尺 寸 为10 mm×10 mm×55 mm。 分别测出不同热处理条件下, 室温时的抗拉强度 Rm、 屈服强度 ReL、 断面收缩率 Z、 伸长率 A、 冲击功 Aku。 锻压TA15钛合金 高温 (500℃) 拉伸试样与室温条件下的试样相同,当设定温度稳定后保温 20 min 开始测试, 分别测出锻压TA15钛合金高温时的抗拉强度、 断面收缩率与伸长率。 每种性能测试 3 组数据, 求平均值, 以减少试验所带来的误差。

利用 OLYMPUS-GX51 型倒置式光学显微镜对热处理后的锻压TA15钛合金金相组织进行观察, 显微照片利用 Photo Shop 进行处理, 将初生α相进行涂黑处理, 处理后可观察到相的组成情况。 通过显微镜自带的 QLYCIA m3 软件对处理后的金相组织进行分析, 统计显微组织中各主要组成相的相对体积分数。 QLYCIA m3 金相分析系统可以利用数学、 光 学等技术理论, 对金相照片进行图像分析、 面积形态分析和粒子计数分析等, 被广泛应用于材料检测等科学和工程研究, 为材料生产过程提供质量控制。

2、结果与讨论

2.1  显微组织分析

图 2 为不同热处理制度下锻压TA15钛合金的金相组织, 初生α相为等轴状, 次生α相为片层状, 热处理后等轴状初生α相分布均匀。 图 2a 为700℃退火后的显微组织, 相组成主要为初生α相、部分次生α相、 还有少量基体β相, 初生α相所占比例最大; 图 2b 和图 2c 分别为 730 和 760℃退火后的显微组织, 相组成包括初生α相和次生α相,初生α相占绝大部分, 但在 700℃ 退火后有所降低, 说明初生α相随着温度的升高逐渐减少, 次生α 相随着温度的升高逐渐增加; 图 2d 和图 2e 分别为 790 和 820℃退火后的显微组织, 相组成包括初生α相和次生α相, 次生α相随着温度的升高逐渐增多, 初生α相的含量随着退火温度的升高而降低, 基体β相的含量变化不大。

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通过观察金相组织, 发现不同热处理温度的试样中, 初生α相、 次生α相以及β相之间黏连在一起, 不便于统计组织中各相的相对含量。 利用 PhotoShop 软件对显微组织中的初生α相进行涂黑处理,其余为次生α相以及基体β相。 再通过 QLYCIA m3金相分析系统处理涂黑的组织, 对各相进行体积分数统计, 取 3 组数据求平均值, 得到各相的相对体积分数。 处理后的锻压TA15钛合金金相组织如图 3所示, 图 3 中初生α相标注为深色, 其余为次生α相以及基体β相。

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锻压TA15钛合金的塑性由次生α相与初生α相决定。 提高初生α相的含量, 合金的塑性变大,提高次生α相的含量, 合金的塑性降低。 图 4 为不同热处理制度下锻压TA15钛合金中初生α相、 次生α相的相对体积分数。 退火温度为 700℃时, 初生α相的相对体积分数为 70.35%, 次生α相的相对体积分数为 3.84%。 退火温度为 820℃时, 初生α相的相对体积分数为 46.94%, 次生α相的相对体积分数为18.26%。 随着退火温度的逐渐升高, 初生α相的含量逐渐降低, 次生α相的含量逐渐增加, 基体相的含量基本不变。

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2.2  退火处理对锻压TA15钛合金力学性能的影响

2.2.1  室温力学性能测试

锻压TA15钛合金退火处理后, 室温条件下的力学性能如图 5 所示。 图 5a 为锻压TA15钛合金抗拉强度的变化曲线, 随着退火温度的升高, 抗拉强度逐渐增大, 退火温度为 820℃时, 不同取样方向下的试样的抗拉强度均达到最大值, 其中纵向抗拉强度达到 986 MPa; 图 5b 为锻压TA15钛合金屈服强度的变化曲线, 总体来说, 随着退火温度的升高,与抗拉强度的变化规律相似, 在 820℃时纵向屈服强度达到最大值 882 MPa; 图 5c、 图 5d 分别为锻压TA15钛合金伸长率和断面收缩率的变化曲线,随退火温度的升高, 相同取样方向的力学性能的变化趋势基本相同, 820℃ 退火的样品, 其纵向伸长率为 13.5%; 图 5e 为锻压TA15钛合金冲击韧性的变化曲线, 不同的取样方向, 性能的变化规律也不同, 随着退火温度的升高, 横向取样时, 冲击韧性呈“几”字形变化; 纵向取样时, 冲击韧性在800℃时达到最大值后略有降低。

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2.2.2  高温力学性能测试

锻压TA15钛合金退火处理后, 高温 (500℃)力学性能如图6 所示。 图6a为锻压TA15钛合金抗拉强度的变化规律, 横向抗拉强度在 820℃时达到最大值; 图6b为锻压TA15钛合金伸长率的变化规律, 随着退火温度的升高, 横向伸长率在760℃时达到最大值, 纵向伸长率在 820℃ 时达到最大值;图 6c 为锻压TA15钛合金断面收缩率的变化规律,横向断面收缩率在760℃ 时达到最大值58%, 纵向断面收缩率在820℃ 时达到最大值 63%。

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2.3  退火处理后锻压TA15钛合金的显微组织与力学性能的关系

由以上结果可以看出, 锻压TA15钛合金的显微组织对热处理工艺参数十分敏感, 采用不同的退火温度可以得到不同的显微组织, 而合金的力学性能又取决于合金组织中各组成相的形态、 相对体积分数和大小尺寸等因素。 锻压TA15钛合金的显微组织在 700~820℃的退火温度范围内, 金相组织主要包括初生α相、 次生α相以及基体β相。 随着退火温度的逐渐升高, 初生α相的含量减少, 次生α相的含量增多, 在 820℃ 时初生α相的含量最少,次生α相的含量最多, 基体β相的含量基本没有变化。 退火后锻压TA15钛合金的力学性能发生明显变化, 随着退火温度的升高, 锻压TA15钛合金的抗拉强度和屈服强度的变化趋势基本一致, 在820℃ 时达到最大值; 伸长率、 断面收缩率、 冲击韧性随着退火温度的升高并未单调的下降, 在不同的退火温度下也会出现最大值。 这是因为: 在双态组织中, 随着初生等轴α相的减少, β基体、 次生片层α相的相界面增多, 会使钛合金的强度提高,伸长率降低, 而α相和原始β相晶粒尺寸的减小有利于提高钛合金的塑性。 锻压TA15钛合金在相变点温度以下进行热处理, 820℃ 时的组织和性能匹配最佳。

3、结论

(1) 锻压TA15钛合金在 700~820℃退火处理后, 显微组织中主要由初生等轴α相、 基体β相以及次生片层状α相组成。

(2) 随着退火温度的升高, 初生α相的含量逐渐降低, 相对体积分数由 70.35%降至 46.42%, 次生α相的相对体积分数由 3.84%升高至 18.26%。

(3) 锻压TA15钛合金的力学性能与取样方向有关, 室温和高温 (500℃) 条件下的力学性能受不同热处理制度的影响较大。 且随着退火温度的升高, 锻压TA15钛合金强度先降低后升高, 塑性先增高后降低。

(4) 对比不同热处理温度下样品的室温和高温(500℃) 条件下的拉伸性能, 在 820℃ 退火的样品, 其抗拉强度最高为 986 MPa, 伸长率为 13.5%,强度和塑性匹配较好。

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