锻造变形对扩散连接TC4钛合金的影响.pdf
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1、第 14 卷第 4 期2023年8月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.14,No.4Aug.2023锻造变形对扩散连接TC4钛合金的影响杨兴远1,2,蔡雨升2,姜沐池2,任德春2,吉海宾2,雷家峰2,肖旋*1(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院,沈阳 110159;2.中国科学院金属研究所,沈阳 110016)摘要:本文开展了TC4钛合金棒材扩散连接及锻造工艺实验,研究了锻造变形量对扩散连接界面显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,采用950、140 MPa、4 h的扩散连接工艺,TC4钛合金连接界面实现了冶金结合,合
2、金强度达到母材强度的95%以上,延伸率为7%,合金在扩散区发生脆性断裂。扩散连接的TC4钛合金经过高温锻造后,扩散连接界面完全消失,显微组织由等轴相、次生相与少量的相组成;随着锻造变形量的增加,等轴相的尺寸逐渐降低、次生相体积分数增大,合金强度呈现升高趋势;当变形量为40%时,等轴相和次生相含量达到较优匹配度,抗拉强度达到950 MPa,延伸率达到17.5%,锻造后合金的断裂方式转变为韧性断裂。关键词:TC4钛合金;扩散连接;锻造变形量;界面组织;力学性能中图分类号:TG316.1 文献标志码:AInfluence of forging deformation on diffusion bon
3、ded TC4 titanium alloyYANG Xingyuan1,2,CAI Yusheng2,JIANG Muchi2,REN Dechun2,JI Haibin2,LEI Jiafeng2,XIAO Xuan*1(1.School of Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)Abstract:In t
4、his paper,TC4 titanium alloy bars were employed to study the effect of forging deformation on the microstructure and mechanical properties of the diffusion bonding interface.The results showed that the TC4 titanium alloy interface was metallurgically bonded by diffusion bonding process at 950 and 14
5、0 MPa for 4 h.The strength of the diffusion bonded sample was 95%higher than that of the base metal,and the elongation was 7%.The brittle fracture occurred in the diffusion zone.After high-temperature forging,the diffusion bonding interface of the TC4 titanium alloy completely disappeared.The micros
6、tructure consisted of an equiaxed phase,a secondary phase,and a small amount of phase.With increasing forging deformation,the size of the equiaxed phase decreased,the volume fraction of the secondary phase and the alloy strength increased.When the deformation was 40%,the content of the equiaxed phas
7、e and secondary phase reached the best matching degree.The tensile strength reached 950 MPa,the elongation reached 17.5%,and the fracture mode of the alloy transformed into ductile fracture.Keywords:TC4 titanium alloy;diffusion connection;forging deformation;interface structure;mechanical property钛合
8、金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等优异的性能,在航空、航天、汽车、船舶等工业领域中占据极其重要的地位1-3。TC4钛合金是一种应用极其广泛的中等强度的+型两相钛合金,占钛合金总产量收稿日期:2022-06-23;修回日期:2022-08-04通信作者:肖旋(1966),博士,教授,主要从事高温合金材料研究。E-mail:文章编号:1674-9669(2023)04-0527-09 DOI:10.13264/ki.ysjskx.2023.04.011引文格式:杨兴远,蔡雨升,姜沐池,等.锻造变形对扩散连接TC4钛合金的影响J.有色金属科学与工程,2023,14(4):527-535.有色金属科学与
9、工程2023 年 8 月的50%,其中TC4钛合金加工件占到全部钛合金加工件的95%以上4-7。焊接是复杂结构钛合金构件制造过程中的一个重要工艺环节,通常用的焊接方式主要有氩弧焊、埋弧焊、真空电子束焊等,上述技术均为高温下熔焊。焊接过程钛合金易氧化及产生裂纹、气孔等缺陷,同时熔焊存在的较大温度梯度也会导致焊缝区与母材区的组织差异较大,这都会显著降低焊接零部件的性能可靠性。随着材料科学及工程技术不断发展,为解决同种或异种材料间高可靠性连接问题,扩散连接技术成为了材料连接领域研究热点之一8-11。国内外相关学者在钛合金扩散连接方面开展了相关研究工作。CALVO 等12研究了 850 温度下TC4钛
10、合金的扩散连接工艺,发现该温度下可以获得质量良好的连接接头。LEE等13对TC4钛合金在连接温度范围850950 时的扩散连接工艺及其高温氧化行为进行了研究。SANDERS等14通过试验验证得出 TC4 钛合金薄板的最佳扩散连接温度为900950。施晓琦15对TC4钛合金单层板加强结构SPF/DB工艺进行了研究,得到最优扩散连接温度为920。尽管扩散连接为非高温下熔焊,但扩散连接后 TC4 钛合金的力学性能仍有一定程度的降低16。扩散连接工艺可以实现合金完全冶金结合,但是针对扩散区性能降低的原因及调控技术的报道较少。本文研究发现采用锻造处理可以提高扩散连接TC4钛合金的性能,因此通过开展锻造工
11、艺实验,探索连接界面的显微组织及力学性能的变化规律,为航空航天领域高性能钛合金扩散连接构件的研发提供新的思路以及数据支持和理论支撑。1实验部分1.1实验材料本实验的材料是TC4钛合金锻造棒材,规格为直径100 mm,其化学成分见表1。合金原始棒材的显微组织如图1所示,为等轴相和少量相组成。采用金相法测得其相变点温度为(9975)。1.2实验方法材料表面状态(粗糙度、清洁度等)影响着扩散连接的质量。首先采用机械球磨的方式对TC4钛合金棒材的连接端面进行打磨至表面粗糙度R=0.08;随后依次采用石油醚和酒精进行清洗去除油污等杂质,处理后的连接端面表面形貌如图2所示,存在磨抛处理产生的微观沟壑条纹;
12、最后在扩散连接炉(型号RD500HI)中进行保温保压实现冶金结合。相关研究表明TC4钛合金在温度850950、压力120160 MPa、保温时间46 h的热等静压工艺参数下扩散连接质量良好13-18,所以本文采用的扩散连接工艺参数为:温度950、压力140 MPa、保温时间4 h,随炉冷却。采用表2的锻造工艺对扩散连接棒材进行锻造加工。按照图3所示,在原始棒材、扩散连接棒材及不同变形量的锻件内部分别切取力学性能测试试样,其中扩散连接界面处于试样的中心部位且与拉伸载荷方向垂直,参照GB/T 228.12010金属材料拉伸试验标准要表1TC4钛合金棒材化学成分Table 1Chemical com
13、position of TC4 titanium alloy bar单位:%(质量分数)元素含量Ti余量Al6.49V4.26Fe0.04C0.021N0.004 3H0.002 6O0.17等轴20 m(b)100 m(a)图1TC4钛合金金相显微组织(a)和扫描显微组织(b)Fig.1Metallographic microstructure(a)and SEM microstructure(b)of TC4 titanium alloy528第 14 卷 第 4 期杨兴远,等:锻造变形对扩散连接TC4钛合金的影响求,在TSE504D万能试验机上进行拉伸性能测试,拉伸强度和延伸率取3支试样
14、的算数平均值。金相样品通过线切割从扩散连接件上获取,切割时以扩散连接界面为基准向垂直于界面方向的两侧母材各延伸10 mm,同时平行于界面方向截取长度20 mm,获得面积为20 mm 20 mm的金相试样,然后进行机械磨抛,采用V(HNO3)V(HF)V(H2O)=1 2 7 的腐蚀液对样品进行腐蚀。采用型号为ZEISS AXIOVERT 200 MAT的金相显微镜(OM)观察 试 样 连 接 界 面 区 的 金 相 组 织。采 用 型 号 为TESCAN MIRA的扫描电子显微镜(SEM)进行试样连接界面区的显微组织观察和断口分析。采用型号为 DISCOVERXRD 的 X 射线衍射仪(XRD
15、)对试样连接界面区进行物相分析。2结果与讨论2.1扩散连接界面处显微组织TC4钛合金棒材扩散连接界面处的显微组织如图4所示。由样品扩散连接的位置,确定扩散连接界面如图4(a)中所示,扩散连接界面处的组织与原始棒材(图1)的组织保持一致,由等轴相和少量相组成(图 4(b)。在界面处未发现明显的孔洞等缺陷,这说明采用温度950、压力140 MPa、保温时间4 h,随炉冷却的扩散连接工艺得到的TC4钛合金连接棒材界面结合良好,实现了完全的冶金结合。扩散连接是互相接触的材料表面在高温、高压和真空或保护气体的作用下,相互靠近从而发生局部塑性变形,经过一定时间后结合层的原子相互扩散,实现各种材料、特殊结构
16、的连接,最终形成整体可靠连接的过程。连接过程中金属材料不发生熔化和宏观塑表2锻造工艺参数Table 2Forging process parameters变形量/%204060锻造温度/950950950保温时间/h1.51.51.5锻造速度/(mm/s)1010 10 010020030040050060001002003004006000X/mY/m5000.81.20.6Z/m图2连接端面三维形貌Fig.2Three-dimensional connection surface等轴20 m(b)界面界面100 m(a)图4扩散连接界面处金相显微组织(a)和扫描显微组织(b)Fig.4Me
17、tallographic microstructure(a)and SEM microstructure(b)at diffusion bonding interface连接界面锻造扩散连接轴向图3拉伸试样取样示意Fig.3Schematic diagram for getting tensile sample529有色金属科学与工程2023 年 8 月性变形,直接通过固相原子相互扩散达到连接目的,避免了普通焊接中因金属熔化而产生的缺陷19-22。该研究中TC4钛合金棒材在压力作用下,互相接触的扩散连接面会发生微小的塑性变形,同时,高温下Ti、Al和V原子相互扩散实现连接。与传统TC4钛合金熔
18、焊相比,扩散连接TC4钛合金连接区域没有出现明显的焊缝区、热影响区等焊接组织。这是因为扩散连接温度一般低于母材熔点,为0.50.8 Tm(Tm为熔点温度),本实验扩散连接温度 950 为0.57 Tm,因此在扩散连接过程中不会发生合金熔化现象。同时由于扩散连接温度低于合金相变点(9975),因此扩散连接区的显微组织不会发生显著变化,母材区的组织接近,与原始棒材组织保持一致(图1)。TC4钛合金棒材扩散连接过程具体可分为3个阶段23,该过程示意图如图5所示。其中第1阶段为物理接触阶段,高温下对相互接触的TC4钛合金棒材施加压力后,图5(a)中的沟壑凸起部分优先接触后发生塑性变形,在持续压力作用下
19、,连接面的接触面积逐渐增大,形成如图5(b)中所示的局部物理接触;第2阶段为TC4钛合金棒材表面扩散及界面推移阶段:在压力作用下接触面积增加后,界面处原子在高温下会发生扩散迁移,经过一定时间保温后,如图5(b)中界面推移所示的界面间的间隙逐渐减小,扩散的结合面逐步增加;第3阶段为TC4钛合金棒材界面和孔洞愈合阶段:在原子互相扩散作用下,界面处的孔洞逐渐消失,经过如图5(b)中的界面愈合过程,合金棒材实现完全冶金扩散结合(图4)。2.2扩散连接界面处元素分布扩散连接在图5(b)所示第3阶段刚开始形成紧密接触时,材料间所产生的结合力还不足以产生原子量级的牢固连接。随着扩散连接时间的延长,在高温的作
20、用下表面的原子发生接触活化,表面原子的激活会导致原子的运动脱离原来位置而进入新平衡位置,产生新的原子与电子间相互作用,之后获得原子量级的牢固连接24。在TC4钛合金扩散连接过程中,Ti原子优先发生扩散且扩散速率最快,V属于近Ti原子,扩散能力次之,而Al原子扩散速度较慢25,4。对图4(a)中扩散界面及其相邻区域的元素分布进行检测,EDS测试结果如图6所示,从图6中可以看出,在选择的实验制度之下,TC4钛合金棒材扩散连接界面所在区域的合金元素分布均匀,扩散速度较慢的Al原子也发生了充分的扩散,未发现合金元素偏析现象。钛合金在高温下与氧具有较大的活性,因此扩散连接过程中会在棒材扩散端表面形成一层
21、氧化膜,由于氧化膜的厚度小于3 m,并且O元素的特征X射线能量较低容易被吸收,所以EDS的测试结果中O元素在扩散界面处的衍射峰没有明显高于基体处。(a)(b)物理接触界面推移界面愈合图5端面三维轮廓(a)和扩散连接过程(b)示意Fig.5Schematic diagram of three-dimensional profile of end face(a)and diffusion connection process(b)(Ti)/%9692888480108642241612601296300 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 11020 m界面(Al)/%(
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