不同工艺锻造的TC11钛合金棒室温力学性能

发布时间: 2023-07-29 08:03:09    浏览次数:

TC11钛合金的名义成分为6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si,属高铝当量马氏体型α+β两相钛合金。这种合金具有良好的高温强度、耐腐蚀性、热稳定性及抗蠕变性能,在航空航天领域得到了广泛应用,常制造压气机盘、叶片、环形件和紧固件等,是目前航空工业上应用最广泛的钛合金之一。随着航空航天技术的发展和应用水平不断提高,对这些关键部件用钛合金的组织及性能提出了越来越高的要求。目前,受钛及钛合金物理性质及熔炼技术的限制,锻造仍是钛合金热加工中使用最广泛和最有效的方法。该方法不仅可以直接锻压成所要求的工件形状,还可以优化微观组织结构,消除铸态疏松等缺陷,提高材料的力学性能[1-2]。

1、试验

1.1试验材料

试验用的TC11钛合金铸锭采用真空自耗电弧炉经三次熔炼,成品锭型为准720mm。取铸锭上、中、下三点测化学成分,结果符合国家标准[3]要求,详见表1。

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采用金相法测得该铸锭的相变点为1000~L(L为长度),按照□360mm×720mm下料后执行表2工艺。

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按照以上三种锻造工艺,得到准240mm棒材,在不同工艺锻造的棒材端部50mm处各取两组试样,规格为准240mm×30mm,每组试样经过950℃/2h,AC+530℃/6h,AC的热处理,最后对热处理后的试样进行室温拉伸性能的检测。金相试样依次采用80#~1200#砂纸粗磨、细磨、机械抛光(金刚石抛光液),直至试样的表面无目视可见划痕后进行化学腐蚀,腐蚀剂配比为10mlHF+30mlHNO3+160mlH2O,显微组织观察采用OLYPUSPEM-3金相显微镜。室温拉伸试样按GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》制作加工成R7试样,室温拉伸性能测试采用UTM5205电子万能试验机。

2、结果分析与讨论

2.1锻造工艺对TC11钛合金棒材显微组织的影响

图1为使用三种工艺锻造的TC11钛合金棒材显微组织。对比图1(a)、(b)可以看出,经α+β两相区锻造后,TC11钛合金试样的显微组织为典型的等轴组织,其特征是在β转变基体上分布着等轴α相,等轴α形貌相近,球化程度较高,尺寸大小相似,约为10μm。但等轴α含量有所不同,其中图1(a)等轴α含量约为40%,图1(b)中等轴α含量约为60%。由此可见,随着锻造温度的升高,溶质原子扩散速度加快,α相向β相转变增多,使得初生α相含量减少[4]。因此,可以通过控制热变形温度来控制TC11钛合金中初生α相与β相转变的比例,实际生产过程中应选择合适的变形温度。

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对比图1(b)、(c)可以看出,图1(c)中α相球化程度较差,形状多数为条状,且尺寸粗大,约为25μm。图1(b)经过β区和两相区镦拔后,由于原始铸态组织经过β区充分破碎,形成的β相区片层组织厚度较薄,易于破碎球化,经过两相区镦拔变形后,原始片层组织已经基本上转化为等轴组织,球化程度高。而图1(c)由于未经过β相区充分变形,原始铸态组织破碎不充分,形成的片层组织厚度较厚,虽然经过两相区锻造处理,但其组织表现为条状α相,没有完全球化,且组织粗大。因此,经过β相区充分变形后,组织更易于破碎,等轴组织球化程度更高[5]。

2.2锻造工艺对TC11钛合金棒材力学性能的影响


对三种锻造工艺的TC11钛棒材各在R/2处取2个弦向拉伸试样测室温拉伸性能,对2个试样的室温拉伸性能进行平均,结果见表3。由表3可以看出,按照工艺B锻造的棒材抗拉强度高出50~75MPa,屈服强度高出30~55MPa,伸长率及断面收缩率略有降低。

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这是由于在室温下,两相钛合金的强度随着初生α相含量的变化而变化,初生α相含量增多,则其强度升高,反之亦然。晶粒的细化程度也会影响合金的强度,合金组织越粗大,强度越低,即强度随晶粒的长大而下降[6]。因此,使用工艺B的棒材强度要略高一些,而塑性与其他两种工艺相当,棒材的强度和塑性达到了较好的匹配。

3、结论

(1)可以通过控制锻造温度来控制TC11钛合金中初生α相与转变β相的比例,随着变形温度的升高,α相向β相转变增多,使得初生α相含量减少。

(2)通过β相区和两相区相结合的镦拔变形方式,更易于原始铸态组织的破碎,成品棒材等轴组织球化程度较高。

(3)初生α相含量越高,等轴组织球化程度越高,组织越细小,这有利于棒材的塑性和强度的较好匹配。

参考文献:

[1]邓瑞刚,杨冠军,毛小南,等.锻造工艺及后续热处理对TC11钛合金组织及性能的影响[J].机械工程材料,2011,35(11):58-62.

[2]朱红,廖鸿.锻造温度对TC11钛合金组织和性能的影响[J].热加工工艺,2013,42(13):128-130.

[3]GB/T3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分[S]

[4]不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响[J].钛工业进展,2014,31(5):14-17.

[5]张智,李维,廖强,等,不同锻造工艺对TC10钛合金组织和性能的影响[J].机械工程与自动化,2014(3):108-110.

[6]赖运金.钛合金片状组织演变机制与球化动力学研究[D].西安:西北工业大学,2007.

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