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 : A l: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 240 kg, 锻件采用大于 Ф350 mm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 FE I Quanta600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 1 h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 120 MPa ; 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 1～3 h区间 , 室、高温拉伸强度随保温时间延长而升高 ; 3 h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 ] : Ф18 mm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 100 MPa, ψ增加 5% ,a KU增加 20 J·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钛合金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 90 MPa, 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 , 3h最高。室温和 500℃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。

参考文献 :

[ 1 ] БориcoваE A, Chen Sh iq in translation. M etallograp hy of Tita2nium A lloys [ M ].Beijing: National Defence Indu stry Press,1986.120.

( E A 鲍利索娃等著 , 陈石卿译. 钛合金金相学 [ M ]. 北京 : 国防工业出版社, 1986.120. )

[ 2 ] Wang Jinyou, Ge Zhiming, Zhou Yanbang. Aeronau tical Tita2nium A lloys [M ].Shanghai: Shanghai Science and Techno logyPress, 1985.208.

(王金友 , 葛志明 , 周彦邦. 航空用钛合金 [ M ]. 上海 :上海科学技术出版社 , 1985. 208. )

[ 3 ] Zeng L, Bieler T R. Effectsof wo rking, heat treatmen t and ag2ing on micro structu ral evolution and crystallograp hic texture ofα,α′, α″andβ p hases in Ti26Al24V w ire [ J ]. M aterials Scienceand Engineering A, 2005, 392: 403.

[ 4 ] Fu jii Hideki. Con tinuous cooling transformation characteristicsof alp ha p lu s beta titanium alloys [ J ]. M aterials Science and En2gineering A, 1998, 243: 103.

[ 5 ] Filip R, Kubiak K, Ziajia W. The effect of microstructure onthe mechanical p roperties of two2p hase titanium alloys [ J ]. Jou r2nal ofM aterials Processing Technology, 2003, 133: 84.

[ 6 ] Zhang W angfeng，cao Chunxiao，li Xinwu，Ma jim in，Zhu Zh-ishou.Effect β heat treatment on mechan ical p rop erties oA1titanium alloJ .areetalaterials and Engineering2004, 33 (7 ) : 768.

(张旺峰 , 曹春晓, 李兴无 , 马济民, 朱知寿. β热处理TA15钛合金对力学性能的影响规律[ J ]. 稀有金属材料与工程 , 2004, 33 ( 7) : 768. )

[ 7 ] Lütjering G. Influence of p rocessing on microstructu re and me2chanicalp rop ertiesof (α+β) titanium alloys [ J ]. M aterials Sci2ence and Engineering A , 1998 , 243: 32.

[ 8 ] Zhou Yigang, Zeng Weidong, Yu Hanqin. The nearβ forgingoverthrows the conventional fo rging theory and develop s a new tri2modal microstructure[ J ].Engineering Science, 2001 ,3(5 ) : 61.

(周义刚 , 曾卫东 , 俞汉青. 近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织 [ J]. 中国工程科学, 2001 , 3 (5 ) : 61. )

[ 9 ]Zhou Yigang,Zeng Weidong,Li Xiaoqin,Yu Hanq in, CaoChunxiao. An investigation of h igh - temp erature defo rmationstrengthen ing and toughen ing mechan ism of titanium alloy [ J ]. ActaM etallugica Sinica, 1999, 35 ( 1) : 45.

(周义刚 , 曾卫东 , 李晓芹 , 俞汉青 , 曹春晓. 钛合金高温形变强韧化机理 [ J]. 金属学报 , 1999, 35 (1) : 45. )

[ 10 ] ИлларионовO P. Effects of annealing temperature on micro2structu re and p roperties of TA15 titan ium alloy [ J ]. L ight A lloyTechnology ( in Ru ssian) , 2002 , (526) : 5.