B_Y复合微合金化高温钛合金显微组织及性能研究.pdf
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1、研究论文RESEARCH引文格式:刘莹莹,徐继泽,韩秀全,等。B/Y复合微合金化高温钛合金显微组织及性能研究J.航空制造技术,2 0 2 3,6 6(13):7 4-7 9.LIU Yingying,XU Jize,HAN Xiuquan,et al.Research on microstructure and properties of B/Y composite microalloyedhigh temperature titanium alloyJJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(13):74-79.B/Y复合微合金化高温钛合
2、金显微组织及性能研究刘莹莹,徐继泽,韩秀全,王富鑫,张书铭,付明杰(1.中国航空制造技术研究院,北京10 0 0 2 4;2.航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司,沈阳110 8 50)【摘要研究了B/Y复合微量添加对高温钛合金凝固过程及显微组织的影响,分析了不同变形温度下高温钛合金的显微组织演变过程,测试了高温钛合金在室温和6 50 下的拉伸性能。结果表明,B/Y微量复合添加使高温钛合金凝固过程中产生成分过冷,形成了包裹于晶界的链状TiB增强相和晶界、晶内弥散分布的稀土氧化物颗粒,显著细化了原始晶粒,抑制了晶界的移动,使晶内析出的片层长径比减小。不同温度轴向压缩变形后,高温钛合金饼坏不同位置
3、处显微组织存在不均匀现象,TiB增强相促进了次生相的球化。力学性能结果分析表明,两相区变形合金具有较好的强塑性匹配,B/Y复合添加后高温钛合金6 50 拉伸强度得到明显提升。关键词:复合微合金化;高温钛合金;锻造;显微组织;拉伸性能Research on Microstructure and Properties of B/Y Composite Microalloyed High TemperatureTitanium AlloyLIU Yingying,XU Jize,HAN Xiuquan,WANG Fuxin,ZHANG Shuming,FU Mingjie(1.AVIC Manufa
4、cturing Technology Institute,Beijing 100024,China;2.AVIC Shenyang Aircraft Industry(Group)Co.,Ltd.,Shenyang 110850,China)ABSTRACT The effect of B/Y composite trace addition on the solidification process and microstructure of hightemperature titanium alloy was studied.The microstructure evolution pro
5、cess of high temperature titanium alloy atdifferent deformation temperatures is analyzed.The tensile properties at room temperature and 650 C were tested.Theresults show that the micro-composite addition of B/Y leads to component undercooling during the solidification of hightemperature titanium all
6、oys,forming chain-like TiB reinforcing phases wrapped in grain boundaries and rare earth oxideparticles dispersed in the grain boundaries and within the grains.The original grains are refined,the movement of grains boundaries is inhibited,and the aspect ratio of the lamella precipitated in the cryst
7、al is reduced.After single stepaxial deformation at different temperatures,there are inhomogeneous microstructures at different positions of the high-temperature titanium alloy cake blank.The TiB reinforcement phase promotes the spheroidization of the secondary phase.The results of mechanical proper
8、ties and the analysis of the tensile properties show that the deformed alloy in the two-phase zone has a good strong plastic matching,and the tensile strength of the high temperature titanium alloy at 650 C issignificantly improved after the B/Y composite addition.Keywords:Composite microalloying;Hi
9、gh temperature titanium alloy;Forging;Microstructure;Tensile propertiesD0I:10.16080/j.issn1671-833x.2023.13.074高温钛合金因其高的比强度、比刚度及优异的耐高温性能等优点,是航空航天中极具应用潜力的轻质结构74航空制造技术2023年第6 6 卷第13期材料1-2 。目前成熟使用的高温钛合金材料耐温极限为600,传统高温钛合金材料的开发大多是以发动机的RESEARCH研究论文需求为牵引,主要关注材料的长时蠕变性能、热稳定性及疲劳性能,过去为了保证合金优异的热稳定性,高温钛合金中对稳定元素的
10、添加有严格的限定3。临近空间飞行器作为循环使用次数远小于飞机的飞行器,所用钛合金体系更关注材料在高温、大应力作用下的强度极限和短时蠕变与持久性能,其应用条件与航空钛合金体系应用环境存在明显的不同;且其结构形式也有别于航空发动机,对高温钛合金材料规格品种、性能的需求亦不同4-5。因此,迫切需要针对临近空间飞行器结构零部件的温度和力学性能需求开展新型高温钛合金材料研制。研究指出,不同类型钛合金中添加微量元素B、Y均可以有效细化合金组织,尤其凝固组织细化效果显著,同时也可以改善加工性,提升材料性能6-8 。本文在近型高温钛合金体系基础上,通过调整Al、Mo 当量,添加微量合金元素B、Y,设计出了一种
11、新型耐6 50 高温钛合金材料,并对其开展了凝固过程、凝固态显微组织研究。分析了不同温度下合金热变形过程中显微组织演变规律,获得了室温及6 50 拉伸性能,为临近空间飞行器用新型高温钛合金材料的开发提供了参考和数据积累。1试验及方法试验用材为中国航空制造技术研究院研制的高温钛合金材料,其合金名义成分及其相转变温度如表1所示。不同变形温度的合金铸锭尺寸规格为60mm120mm,采用的锻造设备为50 0 t快速等温锻造液压机,为避免锻造前保温过程中合金铸锭的过分氧化,锻造保温前需对各个高温钛合金铸锭表面进行防氧化涂覆处理,防氧化涂料采用钛合金精锻专用玻璃防护润滑剂T0-12。初始锻造变形温度为10
12、 10 和1060,初始应变速率为0.0 1s,锻造变形方式为单步轴锻一次成形,总变形量8 0%,为避免锻造过程中的严重温降,压机内炉保温至8 0 0,锻后随炉冷却至室温。获得的锻件轮廓尺寸为140mm25mm。将锻件沿纵向切成二等分,在锻件心部、1/2 半径和边缘处分别取样进行显微组织分析。显微组织观察采用日本OLYMPUSBX41M金相显微镜(OM)。显微组织Table 1 Nominal composition and phase transition temperature of the high temperature titanium alloy in this study合金Ti
13、0.1Y余量6.50.1Y+0.1B余量6.5观察前对试样分别进行打磨(2 0 0 10 0 0 目水磨砂纸)抛光(SiO,悬浮液)和腐蚀(Kroll腐蚀剂3%HF+6%HNO;+91%H,O(体积分数),腐蚀5 8 s)处理。室温、高温拉伸试样均取自锻件1/2 半径处。拉伸试样采用标距为3mm30mm的圆柱体标准试样。2结果与讨论2.1B/Y复合微合金化高温钛合金的显微组织及相组成未添加B/Y元素和添加稀土元素Y及B/Y复合添加的高温钛合金凝固态显微组织如图1(a)(c)所示。图1(d)为单相区退火后的B/Y复合微合金化高温钛合金显微组织。可以看出,未添加B/Y元素和单一添加Y元素后,高温钛
14、合金凝固态显微组织差别较小,均表现为典型的网篮组织,原始晶粒粗大,晶界相平直,晶内片层呈现两种不同生长形态。凝固初期,熔体温度高,过冷度小,晶内片层形核驱动力不足,垂直于晶界相的方向上形成了平行排布的粗大片层;随着凝固过程的进行,过冷度增大,晶内相不断形核长大,形成交叉排布的编织网篮状片层。同时,在原始晶界处及晶内发现有微米级黑色颗粒析出相,初步推断为凝固过程中元素Y内氧化形成的富稀土氧化物相。在微量元素Y的基础上进一步引人元素B后,可以发现在高温钛合金晶界上形成了链状包裹的TiB增强相,晶粒发生了显著的细化,平均晶粒尺寸由6 40 m细化至12 0 m。由于晶粒的限制作用,晶内析出的片层长径
15、比减小,厚度变化并不明显。对经B/Y复合微合金化的高温钛合金进行单相区退火热处理发现(图1(d),原始晶界处链状TiB和颗粒稀土氧化物析出相有效地钉扎了晶界,阻碍了热处理过程中界面的移动,使得在相转变温度以上热处理后晶粒尺寸不发生明显变化。图2 为B/Y复合微合金化高温钛合金高倍扫描(SEM)显微组织及析出相能谱(EDS)测试结果。其中宽大的暗色片层为相,相间分布的白色片层为相,TiB析出相以亮色针状形貌分布于原始晶界附近。通过对TiB附近的颗粒状析出相进行EDS分析发现,这些颗粒析出相中富含元素Y、O 和Si。表1本研究中高温钛合金名义成分及相转变温度成分质量分数/%AISn3.03.0相转
16、变温度ZTMo6.01.56.01.5Nb2.02.0Si0.20.2W1.01.0Ta1.21.22023年第6 6 卷第13期航空制造技术7 5C0.050.05Y0.10.1B0.1Tp/10151035研究论文RESEARCHY.OyGrain boundaryY.O200um100um(a)未添加B/Y(b)Y 微合金化图1Y微合金化和B/Y复合微合金化高温钛合金显微组织Fig.1 Microstructure of Y microalloyed and B/Y composite microalloyed high temperature titanium alloySpot 1S
17、pot1化学成分(质量分数)Y:88.27%0:2.84%Ti:6.03%Al:1.45%Si:1.41%TiB80um50.um(c)B/Y 复合微合金化(d)B/Y 复合微合金化1100/1h/A C 退火处理后Spot 2Spot2化学成分(质量分数)Y:91.29%0:3.08%Ti:5.63%Spot 10.12.34542098 counts in 20 s图2 B/Y复合微合金化高温钛合金SEM显微组织及EDS分析Fig.2 SEM microstructure and EDS analysis of B/Y composite microalloyed high tempera
18、ture titanium alloy2.2B/Y复合微合金化高温钛合金凝固过程分析图3为B/Y复合微合金化高温钛合金凝固结晶过程。结合Ti-Y、T i-B二元相图9-10 分析,Y微量添加时凝固过程发生匀晶转变,不形成-Y和-Ti共晶组织,但因其高的化学活性,凝固初期便与O内氧化形成高熔点(约2 430)稀土氧化物相,先于相形核析出1-2 。形成的稀土氧化物颗粒一方面作为弥散细小第二相可有效钉扎相界,抑制初生相的粗化,另一方面也可能作为异质形核质点促进初生相的形核。当凝固温度降至相形核温度时,相开始析出,由于Y、B在相中固溶度都很小,析出相的同时,部分未完全内氧化的Y原子与B原子被排斥至固液
19、界面前沿,引发成分过冷,使周围熔体界面不稳定,进一步促进了新相的形核。当凝固温度进一步降低至Ti-B相图共晶点温度时,固液界面处富集的B原子与剩余液相结合发生共晶反应,生成链状TiB相包裹在初生相周围,随着凝固过程的进一步推进,这些晶界处的链状TiB相和稀土氧化物相可有效地钉扎晶界,阻碍晶界的迁移长大,从而大幅细化晶粒尺寸。当凝固温度降低至两相转变温度时,相中开始析出次生相,由于此时熔体中已经包含TiB和稀土异质相,这部分异质相有可能作为形核质76航空制造技术2023年第6 6 卷第13期01234544495 counts in 20 s点促进次生相的析出。通过研究TiB和稀土相与-Ti的位
20、相关系,已证实凝固初期形成的TiB和Y,O,均与-Ti存在着一定的位相关系,其中 TiB和-Ti存在(001)TiB I(0 0 0 1)和0 10 TiB Il的位向关系,Y,O,与Ti基体间存在10 0 Y,Os/0111Ti,(0 44)Y,0,/(0112)Ti,(044)Y,0/(2110)Ti;110JY,0/1213Ti,(223)Y,Os/(0 111)T i;0 10 Y,O g/112 0 T i,(40 0)Y,0;/(1i 0 0)T i 多种位向关系13-17 。此外,由于初生晶粒的细化,析出次生相的生长空间也得到了限制,使得晶内次生相生长方向变得更加随机。2.3不同
21、变形温度下B/Y复合微合金化高温钛合金的显微组织演变图4为Y微合金化和B/Y复合微合金化高温钛合金在+相区锻造后锻饼沿锻造方向中心、1/2 半径和边缘部位的显微组织。10 10 锻造时,Y微合金高温钛合金和B/Y复合微合金化高温钛合金处在两相共存的温度区间,变形时由于温降的存在,组织中存在一定含量的初生相,由于不同位置处变形量的差异,心部变形量最大,初生相流线形貌最为显著,相沿合金流动方向呈明显带状分布,部分初生相被压扁破碎成分离状。边缘变形量有限,初生相发生扭转粗化。但RESEARCH研究论文LiquidLiquidY,OyLiquidBBY.O20um80 m20um图3B/Y复合微合金化
22、高温钛合金凝固结晶过程Fig.3Solidification and crystalization process of B/Y composite microalloyed high temperature titanium alloy整体来看,单步轴向锻造时初生片层变形过程中较难发生动态再结晶,晶内动态析出的次生相更易发生动态再结晶,从图4(a)(b)(d)(e)中可以看出,心部和1/2 半径处变形量较大,晶内动态析出的次生相球化效果更为明显。结合高温钛合金成分分析,本研究中两种高温钛合金组分中均存在较多的稳定元素,合金变形过程中主要为初生相,温降产生的次生相及较多残余相参与变形,变形机制
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