随着航空航天技术的不休提高, 对出产制作航空器资料的要求越来越高, 钛合金在航空航天中拥有辽阔的使用远景[1] 。 国内关于 α+β 两相钛合金的钻研较多, 而关于TA15钛合金的钻研相对较少,TA15钛合金是一种利用极度宽泛的近α钛合 金,它的强度、、、 热稳性和抗蠕变性均很好, 还是重要的危险容限型钛合金[2] 。 合金成分会影响TA15钛合金的力学机能, 钻研发现, 合金中的主合金元素对合金机能的影响较大, 当初生α相的含量削减、、、 次生α相片层的宽度较细时, 合金的强度提高, 塑性降落[3-4] 。 在热处置过程中引入 H 元素,TA15钛合金中α相和β相的相对含量也会随 H 含量的变动产生变动[5] 。 随着退火温度的不休升高,TA15钛合金晶粒的等轴化水平增大, 初生α相的含量逐步削减[6] 。 通过退火、、、 固溶+时效和双重热处置等热处置工艺能够优化TA15钛合金的组织, 显著提高合金的 力 学 性 能[7-9] 。 相宜的形变工艺, 能够细化TA15钛合金的晶粒, 提高其综合机能[10-12] 。 对热处置加工后的TA15钛合金进行退火, 能够使 TA15钛合金的力学机能获得最佳匹配[13] 。 热处置工艺分歧,TA15钛合金中初生α相的含量和状态均会随 之变动, 进而影响合金的塑性[14] 。 因而,TA15钛合金必要经过一系列复杂的热处置, 能力获得组织均匀、、、 力学机能优异的半制品或零件, 所以对TA15钛合金进行系统的热处置工艺钻研以及优化是极度必要的。

本文通过对锻压TA15钛合金试样进行700 ~820℃的退火处置, 钻研初生α相和次生α相间的转变法规, 凭据热处置后锻压TA15钛合金的微观组织和力学机能的变动情况, 分析得到拥有最佳机能匹配的热处置工艺。

1、、、试验资料与步骤

试验所拔取的资料为锻压TA15钛合金棒材,它的名义成分为 Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。 该合金的现实化学成分如表 1 所示。

将锻压TA15钛合金试样棒材理论全数涂覆防氧化涂料后, 先在箱式电阻炉中进行退火处置, 再进行试样棒材切割、、、 加工出尺度试样。 热处置制度为 (700~820)℃×2 h, 空冷 (AC) (每隔 30℃设为一个热处置制度)。 退火处置工艺如图 1 所示。

分歧温度退火处置后的锻压TA15钛合金试样通过 UTM5350 电子全能试验机进行高和善室温的拉伸机能测试, 设备载荷领域为 0~300 kN, 载荷精度为 0.5%, 加载速度为 0.5 mm·min-1。 拉伸试样凭据 ASTM E8/ 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10 mm×10 mm×55 mm。 别离测出分歧热处置前提下, 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℃) 拉伸试样与室温前提下的试样一样,当设定温度不变后保温 20 min 起头测试, 别离测出锻压TA15钛合金高温时的抗拉强度、、、 断面收缩率与伸长率。 每种机能测试 3 组数据, 求均匀值, 以削减试验所带来的误差。

利用 OLYMPUS-GX51 型颠倒式光学显微镜对热处置后的锻压TA15钛合金金相组织进行观察, 显微照片利用 Photo Shop 进行处置, 将初生α相进行涂黑处置, 处置后可观察到相的组成情况。 通过显微镜自带的 QLYCIA m3 软件对处置后的金相组织进行分析, 统计显微组织中各重要组成相的相对体积分数。 QLYCIA m3 金相分析系统能够利用数学、、、 光 学等技术理论, 对金相照片进行图像分析、、、 面积状态分析和粒子计数分析等, 被宽泛利用于资料检测等科学和工程钻研, 为资料出产过程提供质量节制。

2、、、了局与会商

2.1　 显微组织分析

图 2 为分歧热处置制度下锻压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, 热处置后等轴状初生α相散布均匀。 图 2a 为700℃退火后的显微组织, 相组成重要为初生α相、、、部门次生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 别离为 730 和 760℃退火后的显微组织, 相组成蕴含初生α相和次生α相,初生α相占绝大部门, 但在 700℃ 退火后有所降低, 注明初生α相随着温度的升高逐步削减, 次生α 相随着温度的升高逐步增长; 图 2d 和图 2e 别离为 790 和 820℃退火后的显微组织, 相组成蕴含初生α相和次生α相, 次生α相随着温度的升高逐步增多, 初生α相的含量随着退火温度的升高而降低, 基体β相的含量变动不大。

通过观察金相组织, 发现分歧热处置温度的试样中, 初生α相、、、 次生α相以及β相之间黏连在一路, 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相进行涂黑处置,其余为次生α相以及基体β相。 再通过 QLYCIA m3金相分析系统处置涂黑的组织, 对各相进行体积分数统计, 取 3 组数据求均匀值, 得到各相的相对体积分数。 处置后的锻压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 为分歧热处置制度下锻压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%。 随着退火温度的逐步升高, 初生α相的含量逐步降低, 次生α相的含量逐步增长, 基体相的含量根基不变。

2.2　 退火处置对锻压TA15钛合金力学机能的影响

2.2.1　 室温力学机能测试

锻压TA15钛合金退火处置后, 室温前提下的力学机能如图 5 所示。 图 5a 为锻压TA15钛合金抗拉强度的变动曲线, 随着退火温度的升高, 抗拉强度逐步增大, 退火温度为 820℃时, 分歧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 986 MPa; 图 5b 为锻压TA15钛合金屈服强度的变动曲线, 总体来说, 随着退火温度的升高,与抗拉强度的变动法规类似, 在 820℃时纵向屈服强度达到最大值 882 MPa; 图 5c、、、 图 5d 别离为锻压TA15钛合金伸长率和断面收缩率的变动曲线,随退火温度的升高, 一样取样方向的力学机能的变动趋向根基一样, 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动曲线, 分歧的取样方向, 机能的变动法规也分歧, 随着退火温度的升高, 横向取样时, 冲击韧性呈“几”字形变动; 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　 高温力学机能测试

锻压TA15钛合金退火处置后, 高温 (500℃)力学机能如图6 所示。 图6a为锻压TA15钛合金抗拉强度的变动法规, 横向抗拉强度在 820℃时达到最大值; 图6b为锻压TA15钛合金伸长率的变动法规, 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动法规,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　 退火处置后锻压TA15钛合金的显微组织与力学机能的关系

由以上了局能够看出, 锻压TA15钛合金的显微组织对热处置工艺参数极度敏感, 选取分歧的退火温度能够得到分歧的显微组织, 而合金的力学机能又取决于合金组织中各组成相的状态、、、 相对体积分数和巨细尺寸等成分。 锻压TA15钛合金的显微组织在 700~820℃的退火温度领域内, 金相组织重要蕴含初生α相、、、 次生α相以及基体β相。 随着退火温度的逐步升高, 初生α相的含量削减, 次生α相的含量增多, 在 820℃ 时初生α相的含量至少,次生α相的含量最多, 基体β相的含量根基没有变动。 退火后锻压TA15钛合金的力学机能产生显著变动, 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动趋向根基一致, 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降落, 在分歧的退火温度下也会出现最大值。 这是由于: 在双态组织中, 随着初生等轴α相的削减, 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置, 820℃ 时的组织和机能匹配最佳。

3、、、结论

(1) 锻压TA15钛合金在 700~820℃退火处置后, 显微组织中重要由初生等轴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相的含量逐步降低, 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钛合金的力学机能与取样方向有关, 室和善高温 (500℃) 前提下的力学机能受分歧热处置制度的影响较大。 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) 对比分歧热处置温度下样品的室和善高温(500℃) 前提下的拉伸机能, 在 820℃ 退火的样品, 其抗拉强度最高为 986 MPa, 伸长率为 13.5%,强度和塑性匹配较好。

参考文件:

[1] 陈国琳, 吴鹏炜, 王自 东.钛 合 金 的 发 展 现 状 及 应 用 前 景[J].舰船科学技术, 2009, 31 (12): 110-113.Chen G L, Wu P W, Wang Z D.The development prospect andcurrent status of titanium alloys [J].Ship Science and Technology,2009, 31 (12): 110-113.

[2] Qian G L, Song X Y, Ye W J, et al.Effects of ultrasonic impacttreatment on the residual stress and microstructure of TA15 weldedjoint [J].Materials Science Forum, 2017, 898 (13): 1056-1062.

[3] 隋楠, 曹京霞, 黄旭, 等.合 金 成 分 对 TA15 钛 合 金 组 织及力学机能的影响 [J].航空资料学报, 2019, 39 (1):48-54.Sui N, Cao J X, Huang X, et al.Effect of composition on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy [J].Journal of Aeronautical Materials, 2019, 39 (1): 48-54.

[4] 史莹莹, 刘钊, 陈峰, 等.Φ1040 mm 规格TA15钛合金铸锭出产工艺钻研 [J].世界有色金属, 2018, 16 (23): 9-12.Shi Y Y, Liu Z, Chen F, et al.Preparation technology research of Φ1040 mm TA15 titanium alloy ingot [J].World Nonferrous Metals, 2018, 16 (23): 9-12.

[5] 梁培新, 朱卫东, 杨刚, 等.渗氢工艺对TA15钛合金氢含量和显微组织的影响 [J].锻 压 技 术, 2020, 45 (8): 190-194.Liang P X, Zhu W D, Yang G, et al.Influence of hydrogen permeation process on hydrogen content and microstructure of TA15 titanium alloy [ J].Forging & Stamping Technology, 2020, 45 (8): 190-194.

[6] 侯艳荣, 赖运金, 杜予晅, 等.热处置对TA15钛合金棒材冲击机能的影响 [J].热加工工艺, 2011, 40 (2): 182-183.Hou Y R, Lai Y J, Du Y X, et al.Effect of heat treatment process on impact property of TA15 alloy [J].Hot Working Technology,2011, 40 (2): 182-183.

[7] 卢凯凯, 周立鹏, 段启辉, 等.热处置工艺对TA15钛合金棒材组织和 性 能 的 影 响 [J].钛 工 业 进 展, 2018, 35 (4):35-39.Lu K K, Zhou L P, Duan Q H, et al.Effect of heat treatment procss on microstructure and mechanical properties of TA15 titaniumalloy bars [J].Titanium Industry Progress, 2018, 35 (4):35-39.

[8] 卢凯凯, 周立鹏, 李敏娜, 等.强韧化热处置对TA15钛合金组织和机能的影响 [J].资料热处置学报, 2020, 41 (1):44-49.Lu K K, Zhou L P, Li M N, et al.Effect of  strengthening and toughening heat treatment on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy [ J].Transactions of Materials and Heat Treatment, 2020, 41 (1): 44-49.

[9]刘航, 李伟, 张镜斌.TA15 钛合金双重热处置三态组织中的片层α尺寸钻研 [J].热加工工艺, 2021, 50 (14): 142-145, 149.Liu H, Li W, Zhang J B.Study on size of lamellarαin tri-modalmicrostructure of TA15 Ti-alloy during dual heat treatment [J].Hot Working Technology, 2021, 50 (14): 142-145, 149.

[10] 檀雯, 都海刚, 杨军, 等.TA15 钛合金厚板热轧变形法规钻研 [J].有色金属资料与工程, 2020, 41 (4): 17-23.Tan W, Du H G, Yang J, et al.Study on deformation echanisms of TA15 titanium alloy plate during hot rolling [J].NonferrousMetal Materials and Engineering, 2020, 41 (4): 17-23.

[11] 纪小虎, 李萍, 时迎宾, 等.TA15 钛合金等温多向铸造晶粒细化机理与力学机能 [J].中国有色金属学报, 2019, 29(11): 2515-2523.Ji X H, Li P, Shi Y B, et al.Grain refinement mechanism and mechanical properties of TA15 alloy during multi-directional isothermal forging [J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2019, 29 (11): 2515-2523.

[12] 李建伟, 刘浏, 邹宗树.不一致温锻TA15钛合金试验件的组织与力学机能钻研 [J].热加工工艺, 2019, 48 (1): 151-157.Li J W, Liu L, Zou Z S.Study of microstructure and mechanicalproperties of TA15 titanium alloy test parts with different isothermal forging processes [ J ].Hot Working Technology, 2019, 48 (1): 151-157.

[13] 谢英杰, 付文杰, 王蕊宁, 等.热处置对TA15钛合金中厚板材组织及力学机能的影响 [J].钛工业进展, 2013, 30 (6):26-29.Xie Y J, Fu W J, Wang R N, et al.Effect of heat treatment onmicrostructure and mechanical properties of TA15 plats [J].Titanium Industry Progress, 2013, 30 (6): 26-29.

[14] 尤中源, 刘文言, 陈荣, 等.α 相含量对新型亚稳 β 钛合金动态力学机能的影响 [J].罕见金属, 2021, 45 (7): 891-896.You Z Y, Liu W Y, Chen R, et al.Dynamic mechanical propertiesof new type of metastable titanium alloy with differentαphase content [J].Chinese Journal of Rare Metals, 2021, 45 (7):891-896.

[15] ASTM E8/ E8M—2011, 金属资料拉伸试验步骤 [S].ASTM E8/ E8M—2011, Standard test methods for tension testingof metallic materials [S].

[16] GB/ T 229—2020, 金属资料夏比摆锤冲击试验步骤 [S].GB/ T 229—2020, Metallic materials Charpy pendulum impact testmethod [S].