热处理对锻压TA15钛合金棒组织和性能的调控

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。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。

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)℃×2h,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。

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0~300kN,载荷精度为0.5%,加载速率为0.5 mm·min-1。拉伸试样根据ASTME8/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10mm×10mm×55mm。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20min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PhotoShop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QLYCIAm3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。QLYCIAm3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。

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QLYCIAm3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。

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。

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986MPa;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882MPa;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。

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%。

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986MPa,伸长率为13.5%,强度和塑性匹配较好。

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