TA15鈦合金源于俄羅斯的 BT20, 按名義成分劃歸為近 α型合金。一般認為該合金不能通過熱處理強化 , 熱處理制度為普通退火[ 1, 2 ] , 退火的目的是通過部分再結晶消除應力、穩定組織與性能。而再結晶過程是軟化過程 , 即隨退火溫度提高 , 強度呈下降趨勢 , 因此退火溫度不宜太高[ 2 ] 。但隨鍛件的增大 , 需要棒材的規格不斷增大 , 如制作大鍛件的 TA15鈦合金棒材化(hua)(hua)學成(cheng)分(fen)(fen)與傳統(tong)意義上的(de)(de)(de)BT20相(xiang)(xiang)比已有不小的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua) , 大(da)(da)規格棒材實際(ji)已經落入兩(liang)相(xiang)(xiang)鈦合(he)金的(de)(de)(de)成(cheng)分(fen)(fen)范圍 , 通過(guo)增加 β穩(wen)定(ding)元素提高材料強度。即使如此 , 大(da)(da)型復雜鍛(duan)件(jian)(jian)常出現(xian)強度指標(biao)富余量(liang)小 , 甚至達不到技(ji)術條件(jian)(jian)要求的(de)(de)(de)情況。為了(le)解決大(da)(da)型復雜鍛(duan)件(jian)(jian)強度不足(zu)的(de)(de)(de)問題 , 除了(le)了(le)解相(xiang)(xiang)變(bian)、形變(bian)、再(zai)結(jie)晶(jing)規律[ 3～7 ] , 改進(jin)鍛(duan)造工藝外[ 8, 9 ] , 在與原有材料成(cheng)分(fen)(fen)等變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)情況下 , 作者將探索(suo)通過(guo)熱處理對(dui)大(da)(da)鍛(duan)件(jian)(jian)進(jin)行(xing)強化(hua)(hua)的(de)(de)(de)可能性(xing)與途(tu)徑(jing)。本文(wen)主要針對(dui)大(da)(da)型復雜鍛(duan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)熱處理工藝參數優化(hua)(hua)開(kai)展研究工作 , 以(yi)指導(dao)大(da)(da)鍛(duan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)生產。

1、 實 驗

試(shi)驗材(cai)料選用(yong)在航空航天領域有(you)廣泛應用(yong)的TA15鈦合金 , 其(qi)化學成(cheng)分 ( % , 質量(liang)分數 )是 : A l:6. 66, Mo: 1. 74, V: 2. 25, Zr: 2. 11, N: 0. 007,O: 0. 098, H: 0. 0034, 其(qi)余是 Ti。該合金的主要(yao)特(te)點是具(ju)有(you)比較高的室溫和高溫性能且可(ke)焊性好。

試驗用試樣取自鍛件試料區 , 鍛件的投影面積超過 0. 78m² , 重約 240 kg, 鍛件采用大于(yu) Ф350 mm的棒材制成。

熱處理后加(jia)工成標準的拉(la)伸(shen)試(shi)樣 , 然(ran)后進行(xing)(xing)力學性能(neng)測(ce)試(shi)和(he)組(zu)織觀察 , 在(zai) Instron24507試(shi)驗機上(shang)測(ce)定試(shi)樣的拉(la)伸(shen)性能(neng) , 在(zai) FE I Quanta600掃描電子顯微鏡上(shang)進行(xing)(xing)組(zu)織觀察分(fen)析。

2、 結果與討論

2. 1 退火溫度對(dui)力學性能的(de)影響

在(zai)(zai) 700～970 ℃溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范圍內 , 保溫(wen)(wen) 1 h后(hou)(hou)空冷 ,開展(zhan)了(le)退(tui)火溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)室溫(wen)(wen)和 500 ℃高(gao)溫(wen)(wen)拉(la)伸(shen)性能的(de)(de)影(ying)響研究 , 如圖(tu)(tu) 1所(suo)示。室溫(wen)(wen)強度(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)退(tui)火溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)升高(gao)而(er)呈(cheng)拋(pao)物線(xian)形變(bian)化 , 890 ℃達到最高(gao) , 890 ℃以后(hou)(hou) ,室溫(wen)(wen)抗拉(la)強度(du)(du)(du)(du)及(ji)屈服強度(du)(du)(du)(du)隨(sui)(sui)退(tui)火溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)加呈(cheng)下降趨勢 , 其中(zhong)屈服強度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降較(jiao)為明(ming)顯。由圖(tu)(tu) 1 ( a)可知 , 退(tui)火溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)在(zai)(zai) 700～890 ℃, 溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)提高(gao) 190 ℃,σb 增(zeng)(zeng)加 120 MPa ; 而(er)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)由 800 ℃提高(gao)到 890 ℃,σb 增(zeng)(zeng)加 90MPa, 平均每 10 ℃增(zeng)(zeng)加 10MPa, 增(zeng)(zeng)加比較(jiao)明(ming)顯。在(zai)(zai) σb 增(zeng)(zeng)加同時(shi) , 室溫(wen)(wen) σ0. 2在(zai)(zai) 840 ℃出現谷(gu)值 (圖(tu)(tu) 1 ( a) ) , 斷面收縮率(lv) ψ在(zai)(zai) 870 ℃出現谷(gu)值(圖(tu)(tu) 1 ( b) ) 。在(zai)(zai)整(zheng)個(ge)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)區間(jian) , 溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變(bian)化對(dui)室溫(wen)(wen)拉(la)伸(shen)塑性δ5 影(ying)響不(bu)大。500 ℃高(gao)溫(wen)(wen)強度(du)(du)(du)(du)基本(ben)隨(sui)(sui)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)提高(gao)而(er)增(zeng)(zeng)大 (圖(tu)(tu) 1 ( c) ) , 溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變(bian)化對(dui) 500 ℃高(gao)溫(wen)(wen)拉(la)伸(shen)塑性影(ying)響不(bu)大 (圖(tu)(tu) 1 (d) ) 。綜合分(fen)析認為 , 選用(yong) 850～860 ℃的(de)(de)退(tui)火溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)室溫(wen)(wen)和 500 ℃高(gao)溫(wen)(wen)拉(la)伸(shen)性能較(jiao)好。

2. 2 退火(huo)保溫時間對力學(xue)性能的(de)影響

圖 2是退火溫(wen)度為 850 ℃(空冷(leng) )時(shi)(shi) , 不(bu)同保(bao)溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)對(dui)拉伸(shen)性能(neng)(neng)的影響規(gui)律。由圖 2 可知 ,850 ℃退火時(shi)(shi) , 保(bao)溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)在 1～3 h區間(jian)(jian)(jian) , 室(shi)、高(gao)溫(wen)拉伸(shen)強度隨保(bao)溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)延長而升高(gao) ; 3 h后 , 強度隨時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)延長呈下(xia)降趨勢。在整個溫(wen)度區間(jian)(jian)(jian) , 塑性變化不(bu)大。故(gu)在 850 ℃退火時(shi)(shi) , 保(bao)溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)3h室(shi)溫(wen)、500 ℃高(gao)溫(wen)拉伸(shen)性能(neng)(neng)最優。以(yi)上試驗結果表明 , 對(dui)于大鍛(duan)件(jian) , 通過改變退火溫(wen)度及(ji)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(jian)可以(yi)提高(gao)鍛(duan)件(jian)的性能(neng)(neng) , 也就是存在熱處理強化的可能(neng)(neng)性 , 其原因及(ji)其機制值得注意。

2. 3 分析與討論(lun)

本文(wen)研究的(de) TA15鈦合金大規格(ge)棒材制成的(de)大型鍛(duan)件(jian)出(chu)(chu)現隨(sui)退火溫度(du)升高(gao) , 強(qiang)度(du)升高(gao)的(de)規律 , 與傳統(tong)意義上 BT20或國產 TA15鈦合金小棒材 /小鍛(duan)件(jian)隨(sui)退火溫度(du)升高(gao) , 強(qiang)度(du)下降的(de)規律不(bu)同。這種不(bu)同與材料的(de)化學成分、再結(jie)晶及第二相析(xi)出(chu)(chu)有關。

首先是化學成分的影響 , 通常小棒材化學成分 β穩定元素取中下限 , 反映在 Mo當量上 , Mo當量小于 2. 5 (β相穩定系數 Kβ ≤0. 25) , 如俄羅斯 2002年 5月全俄輕合金研究院 ( ВИЛС)的資深研究員З. И. 以拉諾夫在討論 BT20 鈦合金退火對組織和力學性能影響的研究論文中認為[ 10 ] : Ф18 mm的熱軋棒材在 650～900 ℃范圍內退火 , 將導致σb 和σ0. 2下降的趨勢 , 總下降約 100 MPa, ψ增加 5% ,a KU增加 20 J·cm^-2 , 而 δ值基(ji)本(ben)上(shang)沒有變化 , 該合(he)金 Mo當量 =2. 26 ( Kβ =0. 226) , 是(shi)典型的(de)(de)近 α合(he)金。但(dan)我們(men)對大鍛(duan)件的(de)(de)研究(jiu)得出的(de)(de)結論恰(qia)恰(qia)相反 ,即退火溫(wen)度從 800～890 ℃以前 , 強度是(shi)逐漸(jian)遞增的(de)(de)。如本(ben)研究(jiu)用材 Mo當量達 3. 51 ( Kβ = 0. 351) ,成分已(yi)屬于 α2β兩相合(he)金范圍 , 存在(zai)通過熱處理強化的(de)(de)可(ke)能性。

化(hua)(hua)學成分因(yin)素是(shi)(shi)(shi)(shi)導(dao)致該合金出(chu)(chu)現(xian)(xian)(xian)熱處理(li)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)的(de)(de)前(qian)提 , 而(er)(er)退火過程中出(chu)(chu)現(xian)(xian)(xian)的(de)(de)再結(jie)晶軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)化(hua)(hua)與(yu)析(xi)出(chu)(chu)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)是(shi)(shi)(shi)(shi)出(chu)(chu)現(xian)(xian)(xian)上述規律的(de)(de)根本(ben)原因(yin)。眾(zhong)所周知 , 不論(lun)是(shi)(shi)(shi)(shi)再結(jie)晶還是(shi)(shi)(shi)(shi)析(xi)出(chu)(chu)均是(shi)(shi)(shi)(shi)熱激活過程 , 需要能量(liang)作為驅(qu)動力 , 隨著溫(wen)度(du)的(de)(de)升(sheng)高 , 析(xi)出(chu)(chu)第二相(xiang)的(de)(de)比例與(yu)可能性增(zeng)大 , 因(yin)此出(chu)(chu)現(xian)(xian)(xian)隨退火溫(wen)度(du)升(sheng)高 , 抗拉(la)強(qiang)(qiang)度(du)增(zeng)大的(de)(de)現(xian)(xian)(xian)象。而(er)(er)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度(du)σ0. 2出(chu)(chu)現(xian)(xian)(xian)谷(gu)值的(de)(de)現(xian)(xian)(xian)象 (圖1 ( a) ) , 則是(shi)(shi)(shi)(shi)由(you)于 β轉變(bian)組織基(ji)體分解(jie)析(xi)出(chu)(chu)第二相(xiang)導(dao)致基(ji)體軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)化(hua)(hua) (再結(jie)晶軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)化(hua)(hua)也(ye)(ye)有作用 ) , 從(cong)而(er)(er)引起(qi)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度(du)下降(jiang)。因(yin)此 , 890 ℃以前(qian)的(de)(de)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)過程 , 析(xi)出(chu)(chu)第二相(xiang)起(qi)主導(dao)作用 , 再結(jie)晶軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)化(hua)(hua)起(qi)次要作用; 890 ℃以后 , 則是(shi)(shi)(shi)(shi)再結(jie)晶軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)化(hua)(hua)起(qi)主導(dao)作用 (析(xi)出(chu)(chu)的(de)(de)過時效也(ye)(ye)是(shi)(shi)(shi)(shi)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)化(hua)(hua)的(de)(de)一個原因(yin) ) 。

另外 , 從不同(tong)溫(wen)(wen)度退(tui)(tui)火(huo)后的 SEM 照片(pian) (圖(tu) 3 )可以(yi)看(kan)出 , 退(tui)(tui)火(huo)溫(wen)(wen)度 800 ℃及(ji)以(yi)下 , β轉變(bian)組織(zhi)中(zhong)無析(xi)出 , 如圖(tu) 3b。當退(tui)(tui)火(huo)溫(wen)(wen)度升高到(dao) 840 ℃及(ji)以(yi)上時(shi) , β轉變(bian)組織(zhi)中(zhong)析(xi)出彌(mi)散、均勻(yun)(yun)分(fen)布的細小(xiao)次(ci)(ci)生α相 , 如圖(tu) 3 ( d) , 起(qi)到(dao)強(qiang)化效果。當 890 ℃退(tui)(tui)火(huo)時(shi) , 整(zheng)個 β轉變(bian)組織(zhi)中(zhong)彌(mi)散、均勻(yun)(yun)分(fen)布的細小(xiao)次(ci)(ci)生α相增多 , 如圖(tu) 3f, 強(qiang)化效果最好。當 890 ℃以(yi)上退(tui)(tui)火(huo)時(shi) , 次(ci)(ci)生α相明顯長大、粗化 , 如圖(tu) 3 ( h) , 導致強(qiang)化效果減弱。

顯然 , 再結(jie)(jie)晶是在加熱和(he)保溫(wen)期間完(wan)成的(de)(de)(de)(de) , 而析出則(ze)是在隨(sui)后冷卻過程(cheng)中完(wan)成的(de)(de)(de)(de)。保溫(wen)時間的(de)(de)(de)(de)長(chang)(chang)短主要與再結(jie)(jie)晶軟化(hua)有關 , 隨(sui)退火保溫(wen)時間延長(chang)(chang) , 合(he)金的(de)(de)(de)(de)回復和(he)再結(jie)(jie)晶進行的(de)(de)(de)(de)更為(wei)完(wan)全(quan) , 導致合(he)金中結(jie)(jie)構缺陷(xian)密度(du)不斷降低 , 助長(chang)(chang)再結(jie)(jie)晶的(de)(de)(de)(de)軟化(hua)作用 , 而使強(qiang)化(hua)效(xiao)果(guo)降低 , 出現強(qiang)度(du)降低、塑性提高的(de)(de)(de)(de)現象。另外 , 從(cong)提高生產效(xiao)率和(he)降低氧(yang)化(hua)層(ceng)厚度(du)的(de)(de)(de)(de)角度(du)考(kao)慮 , 大鍛件退火時間也不宜過長(chang)(chang)。

3 、結 論

1） TA15鈦合金鍛件抗拉強度(du)(du)(du)隨著退火溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)的升(sheng)高而增大(da) , 在 800～890 ℃溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)范圍(wei)內(nei) , 室(shi)溫(wen)(wen)(wen)強度(du)(du)(du)升(sheng)幅達 90 MPa, 500 ℃高溫(wen)(wen)(wen)強度(du)(du)(du)升(sheng)幅達 130MPa; 室(shi)溫(wen)(wen)(wen)和 500 ℃高溫(wen)(wen)(wen)塑(su)性變化不大(da)。

2）隨退火保溫時間增(zeng)加 , 室(shi)溫拉伸強度呈(cheng)峰(feng)值變(bian)(bian)化 , 3h最(zui)高。室(shi)溫和 500℃高溫塑(su)性基本不(bu)變(bian)(bian)。

3）強(qiang)度(du)隨退(tui)(tui)火(huo)溫度(du)升高而(er)提高的原因是由(you)于退(tui)(tui)火(huo)過程中基體(ti)β轉變(bian)組(zu)織析出(chu)第二相 , 其強(qiang)化機制為(wei)析出(chu)強(qiang)化。

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