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大規(guī)格TC11鈦合金棒材熱處理后組織與性能分布規(guī)律性研究


發(fā)布日期:2024-3-5 16:41:27

TC11鈦合金是我國于20世紀70年代末研發(fā)的一種α+β型鈦合金。該合金具有良好的可加工性和熱穩(wěn)定性,可在500~550℃長時間使用。當TC11鈦合金用于制作飛機發(fā)動機壓氣盤、葉片、機閘等關(guān)鍵零部件時,需要具備良好的室溫力學性能、高溫強度和沖擊韌性等[1]。通過熱處理可以對TC11鈦合金的組織進行調(diào)控,從而使其獲得優(yōu)異的綜合性能[2-4]。目前,TC11鈦合金最為常規(guī)的熱處理制度為(950~970)℃/120min/AC+530℃/360min/AC。

TC11鈦合金棒

然而,對于直徑在200mm以上的大規(guī)格TC11鈦合金棒材,熱處理過程中,往往由于心部溫降緩慢而造成不同位置的組織和力學性能出現(xiàn)差異[5]。此外,TC11鈦合金的合金化程度高,含有易偏析元素Mo,故加工過程中合金組織對工藝參數(shù)十分敏感,組織均勻性的控制難度較大[6]。因此,研究了大規(guī)格TC11鈦合金棒材熱處理后組織和力學性能的分布規(guī)律,以期為實際生產(chǎn)過程中組織和力學性能的均勻性控制提供參考依據(jù)。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗材料為經(jīng)過3次真空自耗電弧爐熔煉的TC11鈦合金鑄錠,其直徑為620mm,主要化學成分為:Al6.5%,Mo3.52%,Zr1.69%,Si0.31%,余量為Ti。金相法測得鑄錠相變溫度為1000~1005℃。鑄錠經(jīng)β相區(qū)開坯,α+β相區(qū)多火次鍛造,得到規(guī)格為φ200mm×1300mm的棒材。

1.2實驗方法

對TC11鈦合金棒材進行970℃/120min/AC+530℃/360min/AC熱處理。按圖1a所示,沿棒材長度(L)方向分別在L、L/4、L/2處截取φ200mm×20mm盤片,每個盤片沿直徑(D)方向分別在D、D/4、D/2處取金相試樣和拉伸試樣。采用OLYM-PUSPLAG3光學顯微鏡進行顯微組織觀察。采用INSTRON8985萬能試驗機進行室溫、高溫拉伸性能試驗。按圖1b所示,在棒材另一端L處沿D至D/2處平均取6個沖擊試樣,標記為1#~6#。采用ZBC2602-CE沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗(U型缺口),測量試樣的沖擊韌性。

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2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織

圖2為經(jīng)970℃/120min/AC+530℃/360min/AC熱處理后TC11鈦合金棒材沿長度方向和直徑方向不同位置的顯微組織。D處沿長度方向(L至L/2處)的顯微組織(圖2a~2c)變化較小,主要表現(xiàn)為等軸初生αp相晶粒長大,部分次生αs相由針狀逐漸長大成短條狀。D/2處沿長度方向(L至L/2處)顯微組織(圖2g~2i)變化最為明顯,越靠近L/2,等軸初生αp相含量越多且晶粒尺寸更大,次生αs相由針狀長大成短條狀甚至棒狀,β相含量逐漸減少,在D/2、L/2處的顯微組織幾乎全部為初生αp相和次生αs相。D/4處TC11鈦合金的顯微組織(圖2d~2f)變化介于D和D/2之間。

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顯微組織主要與TC11鈦合金棒材熱處理過程中的溫度變化有關(guān)。TC11鈦合金的導熱性較差,在熱處理過程中存在一定的溫度梯度,在長度和直徑方向上越靠近心部,棒材的冷卻速度越慢,使得初生αp相和次生αs相有足夠的時間緩慢長大,越靠近棒材表面,熱處理后冷卻速度越快,α相來不及長大,同時可以將更多的β相保留下來。

2.2室溫拉伸性能

圖3為熱處理后TC11鈦合金棒材不同位置的室溫拉伸性能。沿棒材長度方向從L至L/2處,在D和D/4位置的強度變化較小,但D/2處的室溫拉伸性能存在明顯差異,靠近L/2處,強度顯著降低,塑性增加。室溫拉伸性能的變化主要與棒材顯微組織的變化有關(guān)。沿長度方向,棒材D/2處的顯微組織變化最為明顯,因此,室溫拉伸性能的變化也更具有規(guī)律性。這主要是因為沿長度方向,棒材D/2處的初生αp相含量增加,β相含量降低,致使α/β相界面減少,對位錯的釘扎作用減弱,使材料更容易發(fā)生變形,強度降低,且隨著初生αp相含量的增加,材料的變形協(xié)調(diào)性增加,致使塑性略微增加[7]。

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2.3高溫拉伸性能

圖4為TC11鈦合金棒材不同位置的高溫拉伸性能。從圖4可以看出,TC11鈦合金棒材的高溫抗拉強度表現(xiàn)出沿不同方向越靠近心部,強度越低。鈦合金的高溫拉伸行為較室溫拉伸行為更加復雜,受多種因素影響,但也主要與顯微組織有關(guān)。如前所述,沿長度方向越靠近L/2處,初生αp相、次生αs相含量增加,β相含量降低。觀察L處沿直徑方向顯微組織變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),越靠近D/2處,初生αp相和β相晶粒長大越明顯。αp相含量增加會降低高溫抗拉強度,同時,次生αs相片層厚度增加、方向性增強,β晶粒尺寸長大等顯微組織的變化,也都會造成高溫抗拉強度的降低[8]。從圖4還可以看出,棒材不同位置的高溫塑性變化不大,說明顯微組織變化對高溫塑性的影響較小。

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2.4沖擊韌性

圖5為熱處理后TC11鈦合金棒材L處不同位置的沖擊韌性。從圖5可以看出,沿棒材直徑方向,越靠近心部,沖擊韌性越低。對比L處不同位置顯微組織可以發(fā)現(xiàn),由D處到D/2處,棒材的初生αp相和次生αs相晶粒逐漸長大,含量增加,對應β相含量逐漸減少。初生αp相界有利于微裂紋的形核[9],因此,初生αp相含量增加,TC11鈦合金棒材的沖擊韌性降低。

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3、結(jié)論

(1)經(jīng)970℃/120min/AC+530℃/360min/AC熱處理后,大規(guī)格TC11鈦合金棒材不同位置的顯微組織存在一定差異。其中,D/2處組織變化最為明顯,主要表現(xiàn)為α相含量增加,晶粒長大,β相含量降低。

(2)大規(guī)格TC11鈦合金棒材不同位置的室溫拉伸性能變化與顯微組織密切相關(guān)。沿長度方向,D/2處的顯微組織差異最為明顯,室溫拉伸性能表現(xiàn)為由邊部至心部抗拉強度逐漸降低,塑性升高。

(3)大規(guī)格TC11鈦合金棒材顯微組織對其高溫抗拉強度和沖擊韌性具有顯著影響。越靠近心部(D/2和L/2),高溫抗拉強度和沖擊韌性越低,但高溫塑性變化不明顯。

參考文獻References

[1]許國棟,王鳳娥.高溫鈦合金的發(fā)展和應用[J].稀有金屬,2008,32(6):774-780.

[2]鄒清燕,蔡俊哲,賈東明,等.TC11棒材初生α含量與熱處理溫度的關(guān)系[J].鈦工業(yè)進展,2001,18(1):43-45.

[3]姜麗華,田軍強,張利軍,等.熱處理對TC11鈦合金室溫力學性能的影響[J].材料開發(fā)與應用,2017,32(4):38-43.

[4]韓棟,毛小南,張鵬省,等.雙重退火溫度對高應力水平TC11合金組織性能的影響[J].中國有色金屬學報,2010,20(1):577-580.

[5]吳華,楊建朝,李常亮,等.大規(guī)格TC11鈦合金棒材的熱處理[J].金屬熱處理,2010,35(9):73-75.

[6]王媛,趙民權(quán),謝力,等.TC11合金大規(guī)格棒材異常組織分析[J].金屬熱處理,2015,40(12):53-55.

[7]LütjeringG,WilliamsJC.鈦[M].雷霆,等譯.北京:冶金工業(yè)出版社,2011.

[8]賀飛,陳海峰,王玉會.顯微組織對TA15合金高溫拉伸性能的影響[J].材料工程,2012(2):13-19.

[9]Zhou W,Chew K G. Effect of welding on impact to ughness of butt-joints in a titanium alloy[J].Materials Science and Engineering A,2003,347(1 /2):180 - 185.


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