TA15鈦(tai)合金源于俄羅斯的(de)(de)BT20,按名義成分(fen)劃歸為近α型合金。一般(ban)認為該(gai)合金不能通過(guo)熱處理強化(hua),熱處理制度為普通退火[1,2],退火的(de)(de)目(mu)的(de)(de)是通過(guo)部分(fen)再(zai)結(jie)晶(jing)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(cai)(cai)化學成(cheng)(cheng)分(fen)與(yu)傳統意義上的BT20相(xiang)(xiang)比已(yi)有不(bu)(bu)小的變(bian)化,大(da)(da)規格棒材(cai)(cai)實(shi)際已(yi)經落入兩相(xiang)(xiang)鈦(tai)合(he)金的成(cheng)(cheng)分(fen)范圍,通過增加β穩(wen)定元素提高材(cai)(cai)料強度(du)(du)。即使如此,大(da)(da)型(xing)復雜(za)鍛(duan)件常出現強度(du)(du)指(zhi)(zhi)標富(fu)余量(liang)小,甚至達不(bu)(bu)到技術(shu)條件要求的情況(kuang)。為了(le)解(jie)決大(da)(da)型(xing)復雜(za)鍛(duan)件強度(du)(du)不(bu)(bu)足的問題,除了(le)了(le)解(jie)相(xiang)(xiang)變(bian)、形(xing)變(bian)、再結(jie)晶規律[3～7],改(gai)進鍛(duan)造工藝外(wai)[8,9],在與(yu)原有材(cai)(cai)料成(cheng)(cheng)分(fen)等(deng)變(bian)化的情況(kuang)下,作(zuo)者將探索(suo)通過熱處理(li)對大(da)(da)鍛(duan)件進行(xing)強化的可(ke)能性與(yu)途徑。本文(wen)主要針對大(da)(da)型(xing)復雜(za)鍛(duan)件的熱處理(li)工藝參數優化開展研(yan)究工作(zuo),以(yi)指(zhi)(zhi)導大(da)(da)鍛(duan)件的生(sheng)產。

1、實驗

試驗(yan)材(cai)料選用(yong)在航空(kong)航天領域有(you)廣泛應用(yong)的TA15鈦合(he)金(jin),其化學成(cheng)分(fen)(%,質(zhi)量(liang)分(fen)數)是(shi)(shi):Al:6.66,Mo:1.74,V:2.25,Zr:2.11,N:0.007,O:0.098,H:0.0034,其余是(shi)(shi)Ti。該(gai)合(he)金(jin)的主要特點(dian)是(shi)(shi)具有(you)比較(jiao)高(gao)的室溫(wen)和(he)高(gao)溫(wen)性(xing)能且(qie)可焊性(xing)好。

試驗用試樣取(qu)自鍛件試料區,鍛件的投(tou)影面積超過(guo)0.78m2,重約240kg,鍛件采用大(da)于Ф350mm的棒材(cai)制(zhi)成。

熱(re)處理(li)后加工成標準的(de)拉伸(shen)試(shi)(shi)樣,然(ran)后進行(xing)力學性(xing)能測試(shi)(shi)和組織觀(guan)察,在Instron24507試(shi)(shi)驗機(ji)上測定試(shi)(shi)樣的(de)拉伸(shen)性(xing)能,在FEIQuanta600掃描電子顯微(wei)鏡上進行(xing)組織觀(guan)察分析。

2、結果與討論

2.1退火溫度對(dui)力學性(xing)能的(de)影響

在(zai)(zai)700～970℃溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)范圍內,保溫(wen)(wen)(wen)1h后空(kong)冷,開展(zhan)了退(tui)火(huo)(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)對(dui)(dui)室溫(wen)(wen)(wen)和500℃高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)拉(la)伸性(xing)能(neng)的(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)研究,如圖(tu)1所示。室溫(wen)(wen)(wen)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)隨退(tui)火(huo)(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)升高(gao)(gao)(gao)而(er)(er)呈拋物線形變(bian)化(hua),890℃達到(dao)最(zui)高(gao)(gao)(gao),890℃以后,室溫(wen)(wen)(wen)抗(kang)拉(la)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)及屈服強(qiang)度(du)(du)(du)(du)隨退(tui)火(huo)(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)呈下降趨勢(shi),其(qi)中屈服強(qiang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)下降較(jiao)為(wei)(wei)明顯(xian)。由圖(tu)1(a)可知,退(tui)火(huo)(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)在(zai)(zai)700～890℃,溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)提高(gao)(gao)(gao)190℃,σb增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)120MPa;而(er)(er)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)由800℃提高(gao)(gao)(gao)到(dao)890℃,σb增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)90MPa,平均(jun)每10℃增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)10MPa,增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)比(bi)較(jiao)明顯(xian)。在(zai)(zai)σb增(zeng)(zeng)(zeng)加(jia)同時,室溫(wen)(wen)(wen)σ0.2在(zai)(zai)840℃出(chu)現谷(gu)值(圖(tu)1(a)),斷面(mian)收(shou)縮率ψ在(zai)(zai)870℃出(chu)現谷(gu)值(圖(tu)1(b))。在(zai)(zai)整個溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)區間,溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變(bian)化(hua)對(dui)(dui)室溫(wen)(wen)(wen)拉(la)伸塑性(xing)δ5影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)不大(da)(da)。500℃高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)強(qiang)度(du)(du)(du)(du)基本隨溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)提高(gao)(gao)(gao)而(er)(er)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)(da)(圖(tu)1(c)),溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)變(bian)化(hua)對(dui)(dui)500℃高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)拉(la)伸塑性(xing)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)不大(da)(da)(圖(tu)1(d))。綜合分析認為(wei)(wei),選(xuan)用850～860℃的(de)(de)退(tui)火(huo)(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)(du)室溫(wen)(wen)(wen)和500℃高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)拉(la)伸性(xing)能(neng)較(jiao)好。

2.2退火保溫時間對力學性(xing)能(neng)的影響

圖2是退火(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)為850℃(空冷)時(shi)(shi),不同保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)間對(dui)拉伸性(xing)(xing)能(neng)的影響規律。由圖2可(ke)(ke)知,850℃退火(huo)時(shi)(shi),保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)間在(zai)1～3h區間,室、高溫(wen)(wen)(wen)拉伸強度(du)隨保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)間延長而(er)升(sheng)高;3h后,強度(du)隨時(shi)(shi)間延長呈下降趨勢。在(zai)整個溫(wen)(wen)(wen)度(du)區間,塑性(xing)(xing)變(bian)(bian)化(hua)不大(da)。故在(zai)850℃退火(huo)時(shi)(shi),保(bao)溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)間3h室溫(wen)(wen)(wen)、500℃高溫(wen)(wen)(wen)拉伸性(xing)(xing)能(neng)最優(you)。以上試驗結果表明,對(dui)于大(da)鍛(duan)件(jian),通過改變(bian)(bian)退火(huo)溫(wen)(wen)(wen)度(du)及時(shi)(shi)間可(ke)(ke)以提(ti)高鍛(duan)件(jian)的性(xing)(xing)能(neng),也就是存在(zai)熱處(chu)理強化(hua)的可(ke)(ke)能(neng)性(xing)(xing),其原(yuan)因(yin)及其機(ji)制值得(de)注意(yi)。

2.3分析與討論

本文研究的TA15鈦合金大規格棒材制成的大型鈦合金鍛件出現隨退火溫度升高,強度升高的規律,與傳統意義上BT20或國產TA15鈦合金小棒材/小鍛件隨退火溫度升高,強度下降的規律不同。這種不同與材料的化學成分、再結晶及第二相析出有關。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]:Ф18mm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100MPa,ψ增加5%,aKU增加20J·cm^-2,而δ值基(ji)本上沒(mei)有變(bian)化(hua)(hua),該合金(jin)Mo當量(liang)=2.26(Kβ=0.226),是(shi)典型的(de)近α合金(jin)。但我們對大鍛件的(de)研(yan)究得出的(de)結(jie)論恰恰相反(fan),即退火(huo)溫度從800～890℃以前,強度是(shi)逐漸遞(di)增的(de)。如本研(yan)究用(yong)材Mo當量(liang)達3.51(Kβ=0.351),成分已屬于α2β兩相合金(jin)范圍,存(cun)在通過熱處理(li)強化(hua)(hua)的(de)可(ke)能性。

化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)成分(fen)因(yin)(yin)(yin)素(su)是(shi)(shi)導(dao)致該合金(jin)出(chu)(chu)現(xian)熱處理強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)前提,而退(tui)火過(guo)程(cheng)中出(chu)(chu)現(xian)的(de)(de)再(zai)結(jie)晶(jing)軟化(hua)(hua)(hua)(hua)與析出(chu)(chu)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)(hua)(hua)是(shi)(shi)出(chu)(chu)現(xian)上述規律的(de)(de)根(gen)本原因(yin)(yin)(yin)。眾所周知,不論(lun)是(shi)(shi)再(zai)結(jie)晶(jing)還是(shi)(shi)析出(chu)(chu)均是(shi)(shi)熱激(ji)活過(guo)程(cheng),需要能量作(zuo)(zuo)為驅動(dong)力,隨著溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)(sheng)高(gao)(gao),析出(chu)(chu)第二相的(de)(de)比例與可能性增大,因(yin)(yin)(yin)此出(chu)(chu)現(xian)隨退(tui)火溫(wen)度(du)(du)升(sheng)(sheng)高(gao)(gao),抗拉(la)強(qiang)(qiang)度(du)(du)增大的(de)(de)現(xian)象。而屈(qu)服強(qiang)(qiang)度(du)(du)σ0.2出(chu)(chu)現(xian)谷值(zhi)的(de)(de)現(xian)象(圖1(a)),則是(shi)(shi)由于β轉變組(zu)織基體分(fen)解析出(chu)(chu)第二相導(dao)致基體軟化(hua)(hua)(hua)(hua)(再(zai)結(jie)晶(jing)軟化(hua)(hua)(hua)(hua)也有作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)),從而引起屈(qu)服強(qiang)(qiang)度(du)(du)下降。因(yin)(yin)(yin)此,890℃以前的(de)(de)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)(hua)(hua)過(guo)程(cheng),析出(chu)(chu)第二相起主導(dao)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong),再(zai)結(jie)晶(jing)軟化(hua)(hua)(hua)(hua)起次要作(zuo)(zuo)用(yong)(yong); 890℃以后(hou),則是(shi)(shi)再(zai)結(jie)晶(jing)軟化(hua)(hua)(hua)(hua)起主導(dao)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(析出(chu)(chu)的(de)(de)過(guo)時效也是(shi)(shi)軟化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)一個原因(yin)(yin)(yin))。

另外,從不同溫度(du)退(tui)(tui)(tui)火后的(de)SEM照片(圖(tu)3)可(ke)以(yi)看出,退(tui)(tui)(tui)火溫度(du)800℃及以(yi)下,β轉(zhuan)變(bian)(bian)組織(zhi)中(zhong)無析(xi)出,如(ru)(ru)圖(tu)3b。當(dang)退(tui)(tui)(tui)火溫度(du)升(sheng)高到840℃及以(yi)上時(shi),β轉(zhuan)變(bian)(bian)組織(zhi)中(zhong)析(xi)出彌(mi)散(san)、均(jun)勻分(fen)布的(de)細(xi)小(xiao)次生α相(xiang)(xiang),如(ru)(ru)圖(tu)3(d),起到強化(hua)效果。當(dang)890℃退(tui)(tui)(tui)火時(shi),整個β轉(zhuan)變(bian)(bian)組織(zhi)中(zhong)彌(mi)散(san)、均(jun)勻分(fen)布的(de)細(xi)小(xiao)次生α相(xiang)(xiang)增多,如(ru)(ru)圖(tu)3f,強化(hua)效果最好。當(dang)890℃以(yi)上退(tui)(tui)(tui)火時(shi),次生α相(xiang)(xiang)明顯長大、粗(cu)化(hua),如(ru)(ru)圖(tu)3(h),導致強化(hua)效果減弱(ruo)。

顯然,再(zai)(zai)結(jie)(jie)晶(jing)是在(zai)加熱(re)和(he)保溫期(qi)間(jian)完(wan)成(cheng)的(de)(de)(de),而(er)(er)析出則是在(zai)隨(sui)后(hou)冷卻過程(cheng)中完(wan)成(cheng)的(de)(de)(de)。保溫時間(jian)的(de)(de)(de)長(chang)短主要與再(zai)(zai)結(jie)(jie)晶(jing)軟化有關,隨(sui)退(tui)火(huo)保溫時間(jian)延長(chang),合(he)金(jin)的(de)(de)(de)回復和(he)再(zai)(zai)結(jie)(jie)晶(jing)進行的(de)(de)(de)更為(wei)完(wan)全,導(dao)致合(he)金(jin)中結(jie)(jie)構(gou)缺陷密度(du)不斷(duan)降(jiang)(jiang)低(di)(di),助長(chang)再(zai)(zai)結(jie)(jie)晶(jing)的(de)(de)(de)軟化作用(yong),而(er)(er)使強化效果(guo)降(jiang)(jiang)低(di)(di),出現(xian)強度(du)降(jiang)(jiang)低(di)(di)、塑(su)性提(ti)高的(de)(de)(de)現(xian)象(xiang)。另外,從提(ti)高生產效率(lv)和(he)降(jiang)(jiang)低(di)(di)氧(yang)化層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)(de)(de)角(jiao)度(du)考慮(lv),大鍛件退(tui)火(huo)時間(jian)也不宜過長(chang)。

3、結論

1）TA15合(he)金大(da)(da)(da)鍛件(jian)抗(kang)拉強(qiang)度(du)隨著退火(huo)溫(wen)度(du)的升(sheng)(sheng)高而增大(da)(da)(da),在800～890℃溫(wen)度(du)范(fan)圍(wei)內,室溫(wen)強(qiang)度(du)升(sheng)(sheng)幅達90MPa,500℃高溫(wen)強(qiang)度(du)升(sheng)(sheng)幅達130MPa;室溫(wen)和500℃高溫(wen)塑性(xing)變化不大(da)(da)(da)。

2）隨退火保溫(wen)(wen)時間增(zeng)加,室(shi)溫(wen)(wen)拉(la)伸強度呈峰值變(bian)化,3最高。室(shi)溫(wen)(wen)和5℃高溫(wen)(wen)塑性基本不(bu)變(bian)。

3）強度隨退火溫度升高而提高的原因是由于退火過程中基體(ti)β轉變組織析(xi)出第二相,其強化(hua)機制為析(xi)出強化(hua)。

參考文獻:

[1]БориcoваEA,ChenShiqintranslation.MetallographyofTita2niumAlloys[M].Beijing:NationalDefenceIndustryPress,1986. 120.

(EA鮑利索娃等(deng)著,陳石卿譯.鈦合金金相學[M].北京(jing):國防(fang)工業出版(ban)社,1986.120.)

[2]WangJinyou,GeZhiming,ZhouYanbang.AeronauticalTita2niumAlloys[M].Shanghai:ShanghaiScienceandTechnologyPress,1985.208.

(王(wang)金友(you),葛(ge)志明,周彥邦(bang).航空用鈦合(he)金[M].上海:上海科學技術出版社(she),1985.208.)

[3]ZengL,BielerTR.Effectsofworking,heattreatmentandag2ingonmicrostructuralevolutionandcrystallographictextureofα,α′,α″andβphasesinTi26Al24Vwire[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2005,392:403.

[4]FujiiHideki.Continuouscoolingtransformationcharacteristicsofalphaplusbetatitaniumalloys[J].MaterialsScienceandEn2gineeringA,1998,243:103.

[5]FilipR,KubiakK,ZiajiaW.Theeffectofmicrostructureonthemechanicalpropertiesoftwo2phasetitaniumalloys[J].Jour2nalofMaterialsProcessingTechnology,2003,133:84.

[6]ZWf,x,LX,M,ZZ2fffβfT5y[]RMM,2.h00hangangengCaoChuniaoiinwuaJiminhuhishou.EectoheattreatmentonmechanicalpropertiesoA1titaniumalloJ.areetalaterialsandEngineering2004,33(7):768.

(張(zhang)旺峰(feng),曹春(chun)曉,李興無,馬濟民(min),朱知壽(shou).β熱處(chu)理TA15鈦合金對(dui)力學性能的影(ying)響規律[J].稀有金屬材料與工程(cheng),2004,33(7):768.)

[7]LütjeringG.Influenceofprocessingonmicrostructureandme2chanicalpropertiesof(α+β)titaniumalloys[J].MaterialsSci2enceandEngineeringA,1998,243:32.

[8]ZhouYigang,ZengWeidong,YuHanqin.Thenearβforgingoverthrowstheconventionalforgingtheoryanddevelopsanewtri2modalmicrostructure [J].EngineeringScience,2001,3(5):61.

(周義剛(gang),曾衛東,俞(yu)漢青.近β鍛造推翻陳舊(jiu)理論發展了三態組織[J].中國工程科學,2001,3(5):61.)

[9]ZhouYigang,ZengWeidong,LiXiaoqin,YuHanqin,CaoChunxiao.Aninvestigationofhigh-temperaturedeformationstrengtheningandtougheningmechanismoftitaniumalloy[J].ActaMetallugicaSinica,1999,35(1):45.

(周義剛,曾衛東(dong),李曉(xiao)芹,俞漢青(qing),曹春(chun)曉(xiao).鈦合金高(gao)溫形(xing)變強韌(ren)化機理[J].金屬學報(bao),1999,35(1):45.)

[10]ИлларионовOP.Effectsofannealingtemperatureonmicro2structureandpropertiesofTA15titaniumalloy[J].LightAlloyTechnology(inRussian),2002,(526):5.