航空航天工程TA15钛合金广域温度下的力学性能

TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金作为典型的 近α钛合金,由于其优异的强度、耐蚀性能和高温 性能,在航空航天、船舶等领域广泛应用[1-3]。在 飞机上重要的高温部件中, TA15钛合金的使用温度 范围为450 ~ 600℃[4]。因此,了解和探索TA15钛 合金在不同温度下的力学性能具有重要意义。

高温力学性能是TA15钛合金最有优势的指标 之一,其热变形和拉伸行为已经得到了广泛研究。 ZhaoHJ等[5]比较了TA15钛合金在750、 800和850℃的球化机制,发现随着热变形温度的增加,断裂机制从韧性断裂变为晶间断裂。根据流变应 力、体积分数和晶粒尺寸测试结果, FanXG等[6]在1133 ~ 1253K范围内对TA15钛合金的热变形行 为进行了研究。陈源等[1]根据高温拉伸和电子背 散射衍射(Electron Back Scatter Diffraction, EBSD)结果,发现所有Ti55钛合金样品在885℃以上均 表现出良好的超塑性和软化效应。 LiuG等[7]研究 了750℃时高应变速率下TA15钛合金的变形机 制。 ZhaoJ等[8]分析了750℃下TA15钛合金拉伸 变形的不均匀性和沿轧制方向的滑移模式,以及合金 的晶体学织构和材料性能,以了解TA15钛合金在热 变形过程中的织构演变[9]。 GaoPF等[10]基于TA15钛合金等温压缩试验的微观组织与热变形行为,发现 层状α相的流动应力和软化速率高于等轴α相,这 导致变形更易发生。综上,研究人员主要是探究TA15钛合金在一定温度范围内的高温拉伸性能,少 有探究在广泛温度区间内的拉伸性能的变化。

此外,钛合金作为极具高温应用价值的材料,其高温耐磨性能亟需国内外的研究学者进行探究。 LouM等[11]对TC4钛合金在350和550℃下进行了 销盘式滑动磨损试验,发现氧扩散区减少了亚表面 的塑性变形,有助于提高耐磨性。 MengisL等[12]研 究了γ基TiAl合金的高温滑动磨损行为,发现磨损 表面形成的富铝和富钛氧化皮可最大限度地减少金 属与金属的直接接触。 ZhangZN等[13]和MaoYS等[14]探究了激光增材制造TC4钛合金在不同温度下 的耐磨性,发现随着温度升高,磨损机制从磨料磨损 为主转变为氧化磨损为主。综合分析,目前研究人员 主要针对TC4钛合金进行了高温磨损性能的探究,少 有学者对TA15钛合金的高温磨损性能进行分析。

为了研究服役温度对TA15航空钛合金拉伸强 度、延展性、耐磨性和微观结构的影响,进行了5组试验。本研究的目标是:探究不同温度下从室温 到800℃高温的拉伸性能;研究不同温度下的摩擦 和磨损性能;分析温度对拉伸断口表面、磨损机制 和微观结构的影响。

1、材料与试验过程

1.1　材料及表征

试验使用的TA15航空钛合金的化学成分如下(%,质量分数): Al-6.69, Mo-1.77, V-2.25, Zr2.26, Fe-0.14, Ti-余量。金相试样在磨削、抛光 后,使用1%HF + 1.5%HCl + 2.5%HNO3+95%H₂O配置的化学腐蚀液进行腐蚀处理,处理时间为45s。通过X射线衍射(X-rayDiffraction, XRD)、扫描 电 子 显 微 镜( Scanning Electron Microscope, SEM) 、能 谱 仪( Energy Dispersive Spectroscopy, EDS)和激光共聚焦显微镜对试样中的物相、微 观组织、元素分布及磨损形貌和 尺 寸 等 进 行 观 察。

1.2　力学性能测试

高温拉伸试验设备和样品尺寸如图1所示。试 验 温 度 为:室 温( 25℃ )、 200、 400、 600和800℃ ,加载速度为1mm.min^-1,初始标距为50mm。高温拉伸试验参照GB / T228.2-2015[15]。

高温摩擦和磨损试验采用配有高温炉的Rtec通用摩 擦仪(Rtec,SanJose,USA),该炉可升温至1000℃,加热速率为100℃ .min^-1,并在测试后进行炉冷 却(图2) 。采用球盘式磨损试验装置,磨球为直 径为Φ9.525mm的Si3N4陶 瓷 球,设 定 载 荷 为10N,滑动速度为50mm.s^-1,半径为R8mm,试验 时长 为20min。摩 擦 磨 损 试 验 参 照GB/ T3960— 2016[16]。

2、结果与分析

2.1　微观组织分析

图3a~图3e对比了25~800℃保温20min后的TA15钛合金的微观组织,发现拉伸试验温度对材料微观形貌的影响较小。图3f为不同测试温度下所有样 品的XRD图样,微观结构形态和XRD结果均表明材 料组织中存在大量等轴初生α相和β相。但是由于试 样内部存在应力,导致晶格间距发生变化,进而导致 衍射峰的位置发生偏移。其中,压应力会导致晶面间距 减小,衍射峰向高角度(高2θ值)偏移;而拉应力则导致晶面间距增大,衍射峰向低角度(低2θ值)偏移。

图4为TA15钛合金的元素分布图。 Ti、 Al和V是TA15的主要元素,占90%以上的重量百分比。 EDS映射结果显示, Ti和Al元素主要分布在α相 中,而Mo和O元素主要分布在β相中, V元素在 整个表面均匀分布。

2.2　不同温度下拉伸性能分析

图5为不同温度下进行拉伸测试后得到的工程 应力-工程应变曲线,在各曲线上标注了对应温度 下的极限抗拉强度。室温25℃下的抗拉强度约为966MPa,并且随着测试温度的增加,抗拉强度迅 速下降。 200、 400、 600和800℃下的抗拉强度分 别为799、 710、 466和72MPa。然而,在600和800℃下的拉伸伸长率非常高。但是,在200和400℃时拉伸强度和伸长率均较室温下有所下降。 TA15钛合金可长时间(3000h)于500℃环境下进 行工作,所以TA15钛合金主要用于制造500℃以 下长时间工作的飞机、发动机零件和焊接承力零部 件。另外,在500℃以下TA15钛合金不会出现相变等现象,所以在此温度区间内随着拉伸试验温度 的升高,抗 拉 强 度 和 伸 长 率 均 下 降。然 而,在600℃及以上,材料的软化现象显著,塑性增强,伸长率出现显著的提高[17]。

图6为不同温度下拉伸断口的表面形貌,断 口表面均存在大量的韧窝,说明所有样品均为韧性断裂。随着 测 试 温 度 从25℃增 加 至800℃ ,韧窝尺寸增大,在600和800℃时出现的大韧窝 是降低拉伸性能的主要原因之一。此外,高温下 更严重的颈缩也表明TA15钛合金在高温下具有 更高的塑性变形能力,这与图5中的伸长率结果 类似。EDS用于检测微观结构和断口表面上析出颗粒 的元素含量,结果如图7和表1所示。所有测试温 度下的结果均表明基体和韧窝边缘以Ti元素为主。

然而,析出颗粒的组成成分差异显著, Fe或Al是 最重要的元素,除此之外,高含量的O也表明高温 下测试的氧化现象非常严重。

2.3　不同温度下磨损性能分析

图8为摩擦因数的变化情况,整体来看,摩擦 因数随着温度的增高逐渐下降,从25℃下的0.279逐渐下降到600℃的0.224。然而,在800℃时,由于高温下的良好塑性,摩擦因数突然增加。综合 对比测试结果发现600℃时的摩擦因数最小。

图9为磨损形貌与几何尺寸的对比。平均磨损 宽度(图9g)和平均最大磨损深度(图9h)根据10次测量结果计算后得出,计算方法如图9f所 示。其中,δ为误差,Xi为第i条测试线的宽度,i= 1, 2, …,N,N为数据点的数量,取10,X为 测试线的平均宽度。在200和400℃下,磨损宽 度变化较大。尽管在600℃时磨损宽度的误差最小,但磨损深度的误差最高,这是因为部分划痕太深,这说明了磨粒磨损为主要磨损形式。当测试温度 为800℃时,试样被挤压和变形,导致磨损宽度 显著增加(约为2300μm)。此外,此时出现的粘 着磨损导致明显的局部撕裂。

图10为不同温度下摩擦磨损试验后试样的质量 变化。在25~600℃的范围内,均表现为TA15钛合 金试样总质量的下降。然而, 600℃条件下的质量 损失显著高于更低温测试条件的,这是因为更高 的试验温度会导致TA15钛合金硬度的下降与塑性 的提高(图5、图9g和图9h) 。而800℃测试时 总质量不降反升,这是由于高温软化和粘着磨损,部分磨球转移到试样表面,使总质量增加了0.0194g。

通过扫描电镜观测可以进一步确认不同温度 下试样的磨损机制。图11a显示室温下磨损机制主要为磨粒磨损,机械犁削现象明显。图11b和 图11c显示200和400℃下的磨损机制类似,明 显出现剥离,并伴随有少量颗粒。 600℃下磨痕的 宽度变化较小(图11d) ,表明在机械磨损的基础 上,压实非常明显。此外,磨球和工件之间的高 温焊接导致轻微撕裂。然而,图11e显示800℃下 由于热软化效应导致严重挤压变形。与600℃相 比,在摩擦磨损试验中,磨球与试验材料的黏附 效果更严重,这导致总质量增加(图10) 。

3、分析与讨论

过高的测试温度可能导致显著的软化效应。从 宏观角度来看,高温能够促使塑性变形,导致屈服 强度、抗拉强度降低,变形更容易发生[4-5]。从微 观角度来看,当应变速率恒定时,测试温度会影响 微观结构的变形。晶界是阻碍位错移动的重要障碍 之一,随着测试温度的增加,晶界强度和位错阻力 均会减小。因此,在拉伸破碎后,粗大的初生α相 会变得更小且分布均匀。此外,增加的原子动能使 高温下的塑性变形更容易发生。当变形温度高于600℃时, TA15钛合金的延展性和塑性显著提高,因此, TA15钛合金板材的适宜成形温度应在600℃以上,此温度下,增加的晶界滑移系统可减小阻碍 塑性变形的力量,降低屈服强度,并增强TA15钛合金的塑性成形能力。因此,图5显示在800℃时 其伸长率非常高,约为31%。但是,抗拉强度减小 至约72MPa,这与文献[18]的结果接近。

如果测试温度低于600℃ ,由于位错密度增加 而产生的加工硬化非常明显。随着测试温度的增加 和应变应力的减小, TA15钛合金中可移动位错密度 在整体位错密度中的比例增加,此时,增加的位错 密度会降低TA15钛合金的流动应力[1,6,19]。因此,尽管TA15钛合金在高温(800℃ )时较软,但冷 却后的显微硬度最高,约为360.9HV。

基面和圆柱滑移系统是TA15钛合金α相的主 要位错滑移系统[20]。随着测试温度的增加,其他滑 移系统的临界剪切应力降低,锥面、一阶锥面和二 阶锥面的滑移系统也会启动。此外,随着温度的增 加,空位的扩散驱动位错沿垂直于滑移平面的方向 攀移。然而,在高温变形过程中,缺乏微观变形机 制的原位表征使得微观变形机制的分析变得困难。

在本实验中,高温(600℃ )的软化效应通常 比位错运动引起的加工硬化效应更为明显,这也导 致随着温度的增加拉伸强度下降。同时,不同的试 验温度导致了不同的磨损机制和磨损质量变化(图12)。其中,wi和hi分别为第i个试验的磨痕宽度 和深度,结果显示:w5>w4>w1>w2>w3,h4>h1>h5>h2>h3。从25~400℃主要表现为磨粒磨损,当磨损 温度达到600℃时,材料的软化效应更显著,使其 具有更高的拉伸塑性。当温度继续增加至800℃ ,材料过度软化,拉伸强度急剧下降。由于高温,磨 球和工件之间发生了明显的粘着磨损。此外,软化 的材料导致了更宽的磨损形态,并且由于粘附现象,总质量略有增加。

4、结论

(1) TA15钛合金室温下具有最高的抗拉强度,约为966MPa,并且微观结构由等轴初生α相和β相组成。

(2)当测试温度高于600℃时,由于高温软化 效应明显强于加工硬化效应, TA15钛合金的塑性和 抗拉延伸性迅速增加。

(3)TA15钛合金的磨损机制与摩擦磨损试验的 温度紧密相关,在25 ~ 400℃时以磨粒磨损为主,在600和800℃时,以氧化磨损为主,伴随有粘着 磨损和磨粒磨损。

(4)600 ℃下的TA15钛合金仍具有良好的力学 性能,其较高的抗拉强度、塑性成形能力与耐磨性 能有利于航空TA15钛合金的高温服役。

(5)针对高温服役的钛合金探索了大范围温度 下的力学性能,从多方面分析了高温下的拉伸与磨 损性能,补充了该材料的试验性能参考数据。

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