航空航天用TA15钛合金大锻件热处理强化及机制

TA15钛合金源于俄罗斯的BT20,按名义成分划归为近α型合金。一般认为该合金不能通过热处理强化,热处理制度为普通退火[1,2],退火的目的是通过部分再结晶消除应力、稳定组织与性能。

而再结晶过程是软化过程,即随退火温度提高,强度呈下降趋势,因此退火温度不宜太高[2]。但随锻件的增大,需要棒材的规格不断增大,如制作大锻件的TA15钛合金棒材化学成分与传统意义上的BT20相比已有不小的变化,大规格棒材实际已经落入两相钛合金的成分范围,通过增加β稳定元素提高材料强度。即使如此,大型复杂锻件常出现强度指标富余量小,甚至达不到技术条件要求的情况。为了解决大型复杂锻件强度不足的问题,除了了解相变、形变、再结晶规律[3～7],改进锻造工艺外[8,9],在与原有材料成分等变化的情况下,作者将探索通过热处理对大锻件进行强化的可能性与途径。本文主要针对大型复杂锻件的热处理工艺参数优化开展研究工作,以指导大锻件的生产。

1、实验

试验材料选用在航空航天领域有广泛应用的TA15钛合金,其化学成分(%,质量分数)是:Al:6.66,Mo:1.74,V:2.25,Zr:2.11,N:0.007,O:0.098,H:0.0034,其余是Ti。该合金的主要特点是具有比较高的室温和高温性能且可焊性好。

试验用试样取自锻件试料区,锻件的投影面积超过0.78m2,重约240kg,锻件采用大于Ф350mm的棒材制成。

热处理后加工成标准的拉伸试样,然后进行力学性能测试和组织观察,在Instron24507试验机上测定试样的拉伸性能,在FEIQuanta600扫描电子显微镜上进行组织观察分析。

2、结果与讨论

2.1退火温度对力学性能的影响

在700～970℃温度范围内,保温1h后空冷,开展了退火温度对室温和500℃高温拉伸性能的影响研究,如图1所示。室温强度随退火温度升高而呈抛物线形变化,890℃达到最高,890℃以后,室温抗拉强度及屈服强度随退火温度增加呈下降趋势,其中屈服强度的下降较为明显。由图1(a)可知,退火温度在700～890℃,温度提高190℃,σb增加120MPa;而温度由800℃提高到890℃,σb增加90MPa,平均每10℃增加10MPa,增加比较明显。在σb增加同时,室温σ0.2在840℃出现谷值(图1(a)),断面收缩率ψ在870℃出现谷值(图1(b))。在整个温度区间,温度变化对室温拉伸塑性δ5影响不大。500℃高温强度基本随温度的提高而增大(图1(c)),温度变化对500℃高温拉伸塑性影响不大(图1(d))。综合分析认为,选用850～860℃的退火温度室温和500℃高温拉伸性能较好。

2.2退火保温时间对力学性能的影响

图2是退火温度为850℃(空冷)时,不同保温时间对拉伸性能的影响规律。由图2可知,850℃退火时,保温时间在1～3h区间,室、高温拉伸强度随保温时间延长而升高;3h后,强度随时间延长呈下降趋势。在整个温度区间,塑性变化不大。故在850℃退火时,保温时间3h室温、500℃高温拉伸性能最优。以上试验结果表明,对于大锻件,通过改变退火温度及时间可以提高锻件的性能,也就是存在热处理强化的可能性,其原因及其机制值得注意。

2.3分析与讨论

本文研究的TA15钛合金大规格棒材制成的大型钛合金锻件出现随退火温度升高,强度升高的规律,与传统意义上BT20或国产TA15钛合金小棒材/小锻件随退火温度升高,强度下降的规律不同。这种不同与材料的化学成分、再结晶及第二相析出有关。首先是化学成分的影响,通常小棒材化学成分β稳定元素取中下限,反映在Mo当量上,Mo当量小于2.5(β相稳定系数Kβ≤0.25),如俄罗斯2002年5月全俄轻合金研究院(ВИЛС)的资深研究员З.И.以拉诺夫在讨论BT20钛合金退火对组织和力学性能影响的研究论文中认为[10]:Ф18mm的热轧棒材在650～900℃范围内退火,将导致σb和σ0.2下降的趋势,总下降约100MPa,ψ增加5%,aKU增加20J·cm^-2,而δ值基本上没有变化,该合金Mo当量=2.26(Kβ=0.226),是典型的近α合金。但我们对大锻件的研究得出的结论恰恰相反,即退火温度从800～890℃以前,强度是逐渐递增的。如本研究用材Mo当量达3.51(Kβ=0.351),成分已属于α2β两相合金范围,存在通过热处理强化的可能性。

化学成分因素是导致该合金出现热处理强化的前提,而退火过程中出现的再结晶软化与析出强化是出现上述规律的根本原因。众所周知,不论是再结晶还是析出均是热激活过程,需要能量作为驱动力,随着温度的升高,析出第二相的比例与可能性增大,因此出现随退火温度升高,抗拉强度增大的现象。而屈服强度σ0.2出现谷值的现象(图1(a)),则是由于β转变组织基体分解析出第二相导致基体软化(再结晶软化也有作用),从而引起屈服强度下降。因此,890℃以前的强化过程,析出第二相起主导作用,再结晶软化起次要作用; 890℃以后,则是再结晶软化起主导作用(析出的过时效也是软化的一个原因)。

另外,从不同温度退火后的SEM照片(图3)可以看出,退火温度800℃及以下,β转变组织中无析出,如图3b。当退火温度升高到840℃及以上时,β转变组织中析出弥散、均匀分布的细小次生α相,如图3(d),起到强化效果。当890℃退火时,整个β转变组织中弥散、均匀分布的细小次生α相增多,如图3f,强化效果最好。当890℃以上退火时,次生α相明显长大、粗化,如图3(h),导致强化效果减弱。

显然,再结晶是在加热和保温期间完成的,而析出则是在随后冷却过程中完成的。保温时间的长短主要与再结晶软化有关,随退火保温时间延长,合金的回复和再结晶进行的更为完全,导致合金中结构缺陷密度不断降低,助长再结晶的软化作用,而使强化效果降低,出现强度降低、塑性提高的现象。另外,从提高生产效率和降低氧化层厚度的角度考虑,大锻件退火时间也不宜过长。

3、结论

1）TA15合金大锻件抗拉强度随着退火温度的升高而增大,在800～890℃温度范围内,室温强度升幅达90MPa,500℃高温强度升幅达130MPa;室温和500℃高温塑性变化不大。

2）随退火保温时间增加,室温拉伸强度呈峰值变化,3最高。室温和5℃高温塑性基本不变。

3）强度随退火温度升高而提高的原因是由于退火过程中基体β转变组织析出第二相,其强化机制为析出强化。

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