固溶处理对TC4钛合金组织和力学性能的影响.pdf
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1、第卷第期上海金属,年月,基 金 项 目:“大 型 薄 壁 筒 体 类 合 金 等 温 锻 件 近 净 形 工 艺 技 术 研 究”项 目()作 者 简 介:周 俊,男,硕 士,主 要 从 事钛 合 金 的 组 织 与 性 能 研 究,:固 溶 处 理 对钛 合 金 组 织 和 力 学 性 能 的 影 响周俊汪 宏 斌,徐 雨 浩霍 庆 辉刘恒陈卓(上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院,上 海;上 海 电 机 学 院 材 料 学 院,上 海;上 海 海 洋 高 端 装 备 功 能 型 平 台 有 限 公 司,上 海)【摘 要】对 退 火 态钛 合 金 棒 进 行 不 同 方 式 的
2、 固 溶 处 理,利 用 金 相 显 微 镜、扫 描 电 子 显 微 镜和 拉 伸 试 验 机 研 究 其 显 微 组 织 和 力 学 性 能 的 变 化。结 果 表 明:钛 合 金 经 两 相 区 固 溶 水 冷 后 的 组织 为 初 生 等 轴相 和 细 针 状相,固 溶 处 理 的 合 金 强 度 及 塑 性 达 到 良 好 匹 配;固 溶 处 理后 水 冷 的 合 金 组 织 为 初 生 等 轴相 和 细 针 状马 氏 体,力 学 性 能 最 佳;固 溶 处 理 后 风 冷 水 冷的 合 金 组 织 为 片 层相 和 针 状马 氏 体,其 塑 性 优 于 固 溶 处 理 后 空 冷 水
3、 冷 的 合 金,且 两 者 强度 相 近。因 此 若 实 际 工 艺 达 不 到 直 接 水 冷 的 要 求,可 采 用 风 冷 水 冷 的 方 式。【关 键 词】钛 合 金,固 溶 处 理,显 微 组 织,力 学 性 能中 图 分 类 号:文 章 编 号:(),(,;,;,)【】,(),;(),;(),【】,随 着 航 空 装 备 的 发 展,整 体、精 密、高 性 能 和 轻 量 化 的 复 杂 构 件 应 用 越 来 越 广 泛,高 强 度、质 轻、耐 上海金属第卷腐 蚀、无 磁 性、与 复 合 材 料 相 容 性 好 的 钛 合 金 逐 渐成 为 先 进 飞 机 紧 固 件 材 料
4、的 首 要 选 择。()钛 合 金 是世 纪年 代 发 展 起 来 的一 种 中 等 强 度 的 型 两 相 钛 合 金,含 有 质 量 分数 为的稳 定 元 素 铝 和的稳 定 元 素钒,主 要 用 于 制 造 飞 机 机 身、机 翼 零 件 和 发 动 机叶 片 等,是 目 前 应 用 最 广 泛 的 钛 合 金。钛 合 金 的 热 处 理 包 括 退 火、固 溶 处 理、时 效、消 除 应 力 和相 退 火 等,其 中 固 溶 目 的 是 获 得 可以 产 生 时 效 强 化 的 亚 稳 定 相,从 而 获 得 高 强 度 和高 硬 度 的 紧 固 件。固 溶 时 效 工 艺 参 数 的
5、 选 取对 强 化 效 果 的 影 响 非 常 重 要,其 中 淬 火 转 移 时 间(即 从 固 溶 处 理 炉 炉 门 打 开 或 锻 件 从 盐 浴 槽 开 始露 出 到 锻 件 全 部 浸 入 淬 火 介 质 所 经 历 的 时 间)长短 直 接 影 响 固 溶 效 果,从 而 影 响 后 续 时 效 沉 淀 强化 效 果。但 目 前 的 研 究 主 要 集 中 于 固 溶 温 度 和 保温 时 间 对钛 合 金 组 织 和 力 学 性 能 的 影响,对 淬 火 转 移 时 间 的 研 究 较 少。因 此,本文 在 对 固 溶 温 度 及 冷 却 方 式 研 究 的 基 础 上,进 一
6、步 研 究 了 淬 火 转 移 时 间 对钛 合 金 棒 显 微 组织 和 力 学 性 能 的 影 响,以 获 得 该 合 金 强 度 与 塑 性匹 配 良 好 的 热 处 理 工 艺。试 验 材 料 与 方 法试 验 材 料 为 航 天 紧 固 件 用钛 合 金 棒 材,经次 真 空 自 耗 熔 炼 得 到 铸 锭,经 开 坯、锻 造、轧制 成 的 棒 材,其 化 学 成 分 如 表所 示,符合 钛 及 钛 合 金 加 工 产 品 化学 成 分 的 要 求。采 用 连 续 升 温 金 相 法 测 得钛 合 金 的 相 变 点 为()。表研 究 用钛 合 金 的 化 学 成 分 元 素质 量
7、分 数 钛 合 金 的 连 续 冷 却 转 变(,)曲 线如 图所 示。可 以 看 到,当 冷 却 速 率 为 时,合 金 发 生马 氏 体 转 变,马 氏 体 可 以 显 著 提 高 强 化 效果。基 于曲 线 的 相 变 特 征,可 通 过 两 种 冷 却方 式 获 得马 氏 体:第种 是 降 低 高 温 阶 段 的 冷 却速 率,当 冷 却 时 间 为 时,钛 合 金 的 入 水 温度 应 高 于;第种 是 提 高 高 温 阶 段 的 冷 却 速率,当 冷 却 时 间 为 时,钛 合 金 的 入 水温 度 应 低 于。但 由 于 实 际 生 产 条 件 的 限 制,第种 方 案 无 法
8、实 现,本 文 采 用 第种 方 案,即 采用 马 弗 炉 进 行 固 溶 处 理,研 究 固 溶 温 度、冷 却 方 式及 淬 火 转 移 时 间 对 合 金 组 织 和 性 能 的 影 响。具 体热 处 理 制 度 如 表所 示,其 中 风 冷、表 示用 风 冷 装 置 吹、后 水 冷,空 冷、表 示 在 空 气 中 静 置 冷 却、后 水 冷。图 钛 合 金 的曲 线 表热 处 理 工 艺 参 数 试 验 编 号固 溶 温 度保 温 时 间(冷 却 方 式)试 样 名 称 (水 冷)()(水 冷)()(水 冷)()(水 冷)()(水 冷)()(风 冷 水 冷)()(风 冷 水 冷)()(
9、风 冷 水 冷)()(空 冷)()(空 冷 水 冷)()(空 冷 水 冷)()(空 冷 水 冷)()注:为 水 冷;为 风 冷;为 空 冷。热 处 理 后 的 试 样 经 过 研 磨、抛 光 后,采 用 体 积比 为 的 溶 液 腐 蚀 ,然 后 用 金 相 显 微 镜 及 扫 描 电 子 显 微 镜 观 察试 样 的 显 微 组 织。将 热 处 理 后 的钛 合 金 棒 加 工 成 拉 伸 试样,尺 寸 为 ,平 行 段 直 径 为,如 图所 示,采 用 万 能 拉 伸 试 验 机 按 金 属 材 料 室 温 拉 伸 试 验 方 法 测 试 其力 学 性 能。第期周俊 等:固 溶 处 理 对
10、钛 合 金 组 织 和 力 学 性 能 的 影 响 图拉 伸 试 样 尺 寸 图 试 验 结 果 与 分 析 固 溶 温 度 对钛 合 金 组 织 与 性 能 的 影 响钛 合 金 的 退 火 态 组 织 由 初 生 等 轴相 和转 变 组 织 组 成,如 图所 示。图为钛 合 金 在 不 同 温 度 固 溶 处 理 水冷 后 的 显 微 组 织,是 一 种 包 括 初 生 等 轴相 和 细 针状相 的 两 相 组 织。随 着 两 相 区 固 溶 温 度 的 升 高,合 金 中 初 生 等 轴相 含 量 逐 渐 减 少,时 初生 等 轴相 完 全 消 失。但 不 同 温 度 固 溶 处 理 的
11、 合图 钛 合 金 的 退 火 态 组 织 金 中 等 轴相 的 尺 寸 变 化 不 大。另 外,随 着 固 溶 温度 的 升 高,细 针 状相 含 量 增 加,说 明 更 多 的相 逐渐 溶 解 转 变 为相,使 得 高 温 平 衡 状 态 下 初 生 等 轴相 含 量 逐 渐 减 少,相 含 量 逐 渐 增 加,从 而 在 水 冷过 程 中 产 生 更 多 的马 氏 体。图 钛 合 金 在()、()、()、()和 ()保 温 水 冷 后 的 显 微 组 织 (),(),(),()()上海金属第卷 图为钛 合 金 在 不 同 温 度 固 溶 处 理 和 水冷 后 的图 谱。可 见 合 金 组
12、 织 中 没 有相,只有相 和相 衍 射 峰。这 是 由 于 合 金 在 固 溶 处理 过 程 中相 逐 渐 转 变 为相,在 随 后 的 水 冷 过程 中,由 于 水 冷 速 较 快,相 完 全 转 变 为相。图 钛 合 金 经 不 同 温 度 固 溶 处 理 和 水 冷 后 的图 谱 不 同 温 度 固 溶 处 理 的钛 合 金 的 力 学 性能 如 图所 示。可 以 看 出,随 着 两 相 区 固 溶 温 度的 升 高,合 金 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 提 高,断 面 收缩 率 和 断 后 伸 长 率 显 著 降 低。固 溶 处 理 的合 金 强 度 及 塑 性 达 到 良
13、 好 匹 配。但 当 固 溶 温 度 高于相 转 变 点 时,合 金 的 强 度 和 塑 性 均 下 降。这是 因 为 在 单 相 区 固 溶,高 温 下 仅 存 在相,水 冷后 形 成 尺 寸 粗 大 的马 氏 体,粗 大 的马 氏 体 板条 无 法 协 调 变 形,导 致 材 料 的 塑 性 变 形 阶 段 缩短,强 度 和 塑 性 下 降。钛 合 金 固 溶 处 理 后的 力 学 性 能 与 初 生 等 轴相 和 针 状相 含 量 有一 定 对 应 关 系。等 轴相 含 量 越 高,塑 性 越 好;针 状相 含 量 越 高,强 度 越 高。冷 却 方 式 对钛 合 金 组 织 与 性 能
14、 的 影 响图为钛 合 金 在 固 溶 处 理 后分 别 风 冷水 冷、水 冷 和 空 冷 后 的 显 微 组 织。从图(,)可 见,风 冷 水 冷 和 风 冷 水冷 合 金 的 组 织 差 别 不 大,均 由 条 状相 和 针 状马 氏 体 组 成,前 者 针 状马 氏 体 的 含 量 高 于 后者;当 风 冷 时 间 延 长 至 时(图(),相 形貌 转 变 为 等 轴 状,并 出 现 了 次 生 片 层相 和 片 层相,其 晶 粒 尺 寸 比 风 冷和 合 金 的 都 大。图 钛 合 金 经 不 同 温 度 固 溶 处 理 后 的力 学 性 能 这 是 由 于 风 冷 时 间 越 长,试
15、 样 入 水 越 晚,故 风 冷 时间 长 的 冷 速 较 慢,在 冷 却 过 程 中 原 子 有 充 足 的 时间 扩 散,有 利 于 次 生相 的 形 核 和 长 大。从 图()可 以 看 到,水 冷 合 金 的 组 织 由 初 生 等 轴相及 细 针 状相 组 成,即 保 留 了 高 温相,也 发 生了 马 氏 体 相 变,相 转 变 为 不 稳 定 的相 和相,为 后 续 时 效 析 出 提 供 了 良 好 的 组 织。从 图()可 见,空 冷 合 金 的 组 织 为 初 生 等 轴相 以 及片 层相 和 片 层相。这 是 由 于 空 冷 速 率 较 慢,合 金 元 素 充 分 扩 散
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