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退火溫度對高氧TC4鈦合金棒組織和力學性能的影響


發(fā)布日期:2024-10-8 20:58:04

TC4(Ti-6Al-4V)是一種典型的中等強度鈦合金,具有較好的綜合力學性能、抗蝕性和高溫強度以及備良好的加工性能,是目前研究最為深入的鈦合金之一,多在熱等靜壓+退火狀態(tài)下使用,在航空工業(yè)領域應用廣泛[1-3]。

O是一種α相穩(wěn)定元素,以間隙固溶的方式存在于鈦合金中,其含量通常在0.1%(質量分數(shù),下同),被認為是雜質元素,需要對其含量進行控制。有研究表明,間隙固溶的O元素在與彈性位錯交互的過程中會形成“柯氏氣團”和“Snock氣團”,對位錯產(chǎn)生阻礙和釘扎作用,能有效提高鈦合金強度,且隨著O含量增加,合金強度會顯著提高,但是塑性顯著下降[4]。而且隨著O含量上升,TC4鈦合金的α+β/β相轉變溫度也隨之升高,沖擊韌性則快速下降,當O含量高于0.165%時,下降速度急劇上升[5],所以認為當TC4鈦合金O含量高于0.165%即為高氧TC4鈦合金,因此需嚴格控制合金中O含量。研究發(fā)現(xiàn),適當增大O含量,能在不影響合金塑性的前提下大幅提高合金強度[6~8]。

鈦合金的力學性能不僅取決于合金成分,還和其微觀組織形態(tài)有很大關系,對大多數(shù)鈦合金而言,α相含量和形態(tài)對鈦合金的力學性能有很大影響[9-10]。研究認為,α相具有3種形態(tài),分別為軸狀、片狀以及針狀,其中等軸α相能夠對β相起到釘扎作用,抑制β相長大,從而提高基體力學性能;片狀α相具有較高的強度和斷裂韌度,其含量對鈦合金的力學性能影響較大;而針狀的α相均勻分布在β基體上,能夠起到彌散強化的效果[11-14]。目前對鈦合金的熱處理工藝研究多集中在鈦合金鍛壓、軋制等變形加工的棒材、板材等,包括固溶、時效、退火等多種熱處理工藝[15-16]。LIDR等[17]對TA19鈦合金進行了3級熱處理,獲得了由等軸、片層和針狀α組成的三元組織,通過控制溫度來調整等軸α、片層α和針狀α相的占比。結果表明,隨溫度升高,層狀α相含量增加,合金的抗拉強度和伸長率均有所提高。然而,過高溫度導致等軸α含量極低,β晶粒變粗,從而降低合金塑性。LEESW等[18]發(fā)現(xiàn)新型鈦合金Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe在經(jīng)過時效溫度由440℃升到560℃時,針狀α相發(fā)生粗化,導致合金強度降低14.5%,伸長率明顯提高。但隨著時效時間延長,β晶界處出現(xiàn)晶間α,使得合金強度和塑性均降低。劉婉潁等[19]研究了固溶時效處理對TC4鈦合金力學性能影響,發(fā)現(xiàn)在采用960℃保溫1h水冷以及500℃保溫1h水冷后的鈦合金綜合性能最好,這是由于TC4鈦合金固溶時效后的組織由β基體和析出的α相組成,具有片層狀β相和小針叢狀α相組織,可獲得較高綜合性能。

TC4鈦合金經(jīng)熱處理后微觀組織會發(fā)生變化,進而對力學性能產(chǎn)生影響。已有的關于鈦合金的熱處理工藝多為變形鈦合金而鑄態(tài)鈦合金的熱處理工藝則相對單一。退火作為鑄態(tài)鈦合金最常用的熱處理工藝,其主要目的在于消除鑄件內部鑄造應力、焊接應力,穩(wěn)定鑄件組織和性能,研究相對較少。在HBZ137-1988中,對TC4退火溫度要求為700~800℃,保溫1~2h后空冷,參考其他標準,對退火溫度的要求也有差異,最大溫度區(qū)間為(700~860℃)±10℃。TC4鈦合金的HIP(Hotisostaticpressing)以及后續(xù)的熱處理過程是一種加工硬化與加工軟化同時進行的過程,會對TC4鈦合金的組織和性能產(chǎn)生極為重要的影響[20],因此研究退火溫度對高氧TC4鈦合金組織性能的影響十分必要。本研究對O含量為18%的TC4鈦合金分別進行680~830℃的退火處理,并對其組織和性能進行了分析,旨在為高性能鈦合金鑄件的生產(chǎn)提供參考。

1、試驗材料及方法

采用200kg真空自耗電極電弧凝殼爐,石墨鑄型對試棒進行熔煉澆注,所有試棒熱處理前均為熱等靜壓態(tài),且經(jīng)過X射線檢測,試棒內部無缺陷。所使用高氧TC4合金錠化學成分見表1。

所有試棒在140MPa氬氣壓力下進行920℃,熱等靜壓3.5h,并隨爐冷至300℃以下。之后在真空度低于0.133Pa下分別以680、730、780和830℃進行熱處理,保溫2h后爐冷,當爐溫≤250℃時放氣,爐溫≤40℃出爐。

用線切割方法在鑄造成形的鈦合金棒試樣中部切取圓片狀金相試樣{具體尺寸},在經(jīng)過由粗到細的金相砂紙打磨后進行拋光,拋至鏡面后使用常規(guī)腐蝕液(2mL的HF+4mL的HNO3+94mL蒸餾水)浸泡15s后立即用流動清水沖洗干凈吹干,使用GX51OLYMPUS型金相顯微鏡(OM)觀察試樣微觀形貌;采用DNS-200萬用拉伸機對標準拉伸試棒進行常溫拉伸檢測,{拉伸速率為多少?}每組試樣測3次,取平均值;采用ZEISSΣIGMA掃描電鏡觀察拉伸試樣斷口形貌。

2、試驗結果與分析

2.1退火溫度對微觀組織的影響

未經(jīng)退火的高氧{氧含量具體為多少?}TC4鈦合金(對照組)HIP態(tài)組織形貌見圖2,圖3是O含量為0.1%的常規(guī)TC4鈦合金HIP態(tài)魏氏體組織。對比圖2和圖3可以看出,隨O含量增加,α相與α+β相的晶粒尺寸得到了一定程度細化,從最初的2mm,細化到153μm;并且板條狀的兩相組織變細,長寬比明顯降低,魏氏組織中α集束的寬度相較于常規(guī)TC4鈦合金組織變窄,長度也有明顯減少。這是因為O元素作為α相穩(wěn)定元素,能夠擴大α相區(qū),提高α相穩(wěn)定性,導致α+β/β轉變溫度上升,使合金中α相增多。此外,在熱等靜壓過程中的微觀應力作用下,板條狀的兩相組織發(fā)生相對變形,造成α相集束取向發(fā)生變化,寬度變窄。

經(jīng)不同溫度退火后的高氧TC4鈦合金SEM組織見圖4,其中粗大凸起為板條狀β相,而凸起之間的凹陷為板條狀α相,在經(jīng)過退火處理之后出現(xiàn)的細小凹陷則為等軸α"相。在圖4中并未發(fā)現(xiàn)氧化物顆粒。在合金凝固過程中,會基于鑄件形狀產(chǎn)生鑄造內應力,并且在熱等靜壓過程壓合合金內部閉孔缺陷及縮松時,也會產(chǎn)生微觀內應力,這就為鑄件在退火時的部分回復行為提供了內在驅動力[13]?梢钥闯,圖4中的α相集束變得更窄,相比于HIP態(tài)中的魏氏組織存在較大差異。當退火溫度較低時,外在驅動力不足導致回復過程進行較為緩慢,可以發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域板條狀組織變得模糊,晶界被截斷,而且凸起減少,出現(xiàn)少量新的短小凹陷,初生板條狀α相和β相含量都有所下降,少量不同取向的等軸狀α"相開始逐漸出現(xiàn),交錯分布于β晶粒內部,能夠較為明顯的分辨,見圖4b和圖4c箭頭處。

隨退火溫度升高,回復過程更為徹底,當退火溫度為780℃,合金組織由初生板條狀α相、初生板條狀β相和少量等軸α"相組成,此時α"相從β晶粒內部長大伸長,原始結構中寬大的集束片層被截斷,兩相片層組織分布均勻,但與網(wǎng)籃狀組織不同的是集束層的取向隨機。當退火溫度為830℃時,雖然溫度低于高O含量的TC4合金的相轉變溫度,但在內部殘余應力釋放與外在高溫熱應力的共同作用下,發(fā)生了一定程度的相轉變,部分區(qū)域相界面模糊甚至消失,集束層中的部分β相直徑明顯變大,見圖4d。

2.2退火溫度對力學性能的影響

圖5為試樣在不用熱處理溫度下的力學性能?梢钥闯觯c對照組相比,經(jīng)熱處理后試樣強度和塑性均略有提高,其中抗拉強度最大增幅為24.5MPa,伸長率最大增幅為2.5%,其主要原因在于退火后試樣組織中的板條狀組織細化,長寬比降低,集束條變窄。隨退火溫度增大,合金強度呈先下降后升高,而塑性則先升高后下降,但整體波動幅度較小,主要與組織中α"相的生成,以及β相含量和狀態(tài)的變化有關,板條狀β相向等軸狀α"相轉變,同時變得粗大,會導致TC4鈦合金棒加工硬化現(xiàn)象加劇,這主要源于TRIP(Transformation induced plasticity)效應。這些相變也會導致晶粒內部位錯消除,同時晶粒位相關系發(fā)生變化,晶界重新排列,最終使得鑄件內部應力集中減少,進而使抗拉強度下降但是屈服強度略有上升,由加工軟化轉向加工硬化。

結合內部組織的變化以及圖5可知,高氧TC4鈦合金在退火溫度為780℃時,晶粒細化程度最高,且相轉變程度較低,同時原始結構中寬大的集束片層被截斷,兩相片層組織分布均勻的同時取向隨機,板條狀組織清晰可見,且少見相界面模糊區(qū)域,因此位錯經(jīng)過時需要更大的力。同時在拉伸過程中,寬大的集束片層被截斷,且兩相片層組織分布均勻,能夠有效的提高塑性。因此,經(jīng)780℃退火后的高氧TC4鈦合金既具有相對較高的強度,同時塑性下降程度較小,綜合力學性能最優(yōu)。

2.3退火溫度對斷口形貌的影響

圖6為經(jīng)不同溫度退火處理后的試樣拉伸斷口形貌。可以發(fā)現(xiàn),各試樣均發(fā)生韌性斷裂,主要有纖維區(qū)和剪切唇區(qū)兩部分組成,可在斷口看到明顯的韌窩結構,但是不同退火溫度下韌窩結構也存在部分差異。在溫度相對較低時,在組織中初生α相發(fā)生融合,并未形成常規(guī)的α相+板條狀兩相組織,只產(chǎn)生了部分α"相,由于板條狀的兩相組織更窄,因此相較于HIP態(tài)強度有大幅提高,且斷口形貌起伏較大。當退火溫度為繼續(xù)升高時,α"相轉化程度逐漸升高,合金組織更均勻。經(jīng)過730℃退火后高氧TC4斷口處韌窩最為明顯,說明在經(jīng)過730℃退火后合金的韌性最好,這驗證了在經(jīng)過730℃退火后伸長率和斷面收縮率都較高的現(xiàn)象。而經(jīng)過780℃退火后的高氧TC4組織斷口起伏相對較為平緩,韌窩結構較小,但是也表現(xiàn)出了明顯的韌性斷裂特征,剪切唇與纖維區(qū)區(qū)分明顯。

3、結論

(1)在鑄造內應力與微觀壓應力的共同作用力下,鑄件在退火時會發(fā)生一定程度的回復現(xiàn)象,當退火溫度為780℃時,高氧TC4鈦合金的組織更加均勻,為集束不規(guī)則分布的板條狀兩相組織以及少量分布的等軸組織。

(2)退火溫度對鑄件力學性能影響相對較小,其中抗拉強度最大增幅為24.5MPa,伸長率的最大增幅為2.5%,當退火溫度為780℃時,高氧TC4鈦合金表現(xiàn)為典型的韌性斷裂,韌窩起伏明顯,同時具有較高的強度與塑性,綜合力學性能較為優(yōu)異。

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