關鍵詞:β熱處理;α相域;組織;性能
1 前言
TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)鈦合金其主要的強化機制是通過添加α穩定元素Al固溶強化,加入中性元素Zr和β穩定元素Mo、V進行補充強化并改善工藝性能。該合金最初以薄板形式作為航空發動機機匣而獲得應用。由于使用條件要求,當初在生產板材時,β穩定元素Mo、V的加入量較少,合金板材實際Mo當量控制在較低的水平([Mo]≤2.46)。因此,該合金的主要熱處理形式為退火。隨著該合金使用范圍的擴大,生產的品種也由薄板擴展到厚板、鍛件、棒材和模鍛件,特別是該合金被采用制作飛機大截面構件后,為了保證該合金具有足夠的強度,提高了合金的Al、Mo當量,使其達到標準上限的水平,這樣使得生產該合金大截面構件的材料實際的Mo當量大大超過2.46的水平,甚至達到了3以上,超過TC4(Ti-6AI-4V)鈦合金的Mo當量水平,成為α+β型兩相鈦合金。在兩相鈦合金中,隨著β穩定元素含量的增加,熱處理制度對合金的組織、性能的影響變得較大[1]。本文主要通過對兩種不同的組織經相變點以上不同熱處理,分析對應的組織及性能,其研究結果可為該合金的使用及進一步進行中強損傷研究提供參考。
2 試驗用料及方案
試驗用料采用真空自耗兩次熔煉,其主要化學成分為:Al 6.6%,Zr 2.2%,Mo 1.7%,V 2.2%,其余為Ti,對應Mo當量為:3.27,α+β/β轉變溫度為980~990℃,鑄錠在β區開坯,然后經1200mm軋機由不同加工工藝軋制為等軸組織、網籃組織兩種不同組織的50mm厚的板材(其對應800℃退火組織及性能如圖2.1和表2.1所示),切取試樣,分別于1000℃、1020℃、1050℃加熱保溫1小時,按水冷、空冷、爐冷3種冷卻方式冷卻,最后測試組織、性能。
3 試驗結果與分析
3.1 β熱處理對TA15鈦合金組織的影響
綜觀兩種不同組織形貌(見圖2.1)的板材,在所選取的9種熱處理制度下,其組織表現為大致相同的變化規律,并沒有因為來料組織的不同而表現出差異。其主要原因是:退火溫度升高到1000℃、1020℃、1050℃,處于β相區,組織發生了相變,原始α相全部轉變為β相,隨著溫度的下降,相同的冷卻方式,都經歷相同的組織變化過程,即單一的β相組織析出集束狀次生α相→次生α相長大過程。次生α相以集束狀析出,并進一步形成相鄰近區域以相同的方向析出的次生α相域,α相域中的α集束粗細與集束的時間長短有關,溫度較高,冷卻速度較慢,對應集束時間較長,α集束就較粗大,α相域邊界也變厚。水冷時,由于β相在快冷時來不及通過擴散轉變成平衡的α相,只有通過β相中原子作集體有規律的近程遷移,發生切變相變形成α穩定元素過飽和固溶體,即α'相,所以其顯微組織為α'+β細晶組織[2];空冷時所得顯微組織是魏氏組織,冷卻速度較慢,α'相轉變為較粗的集束狀,相鄰區域α集束析出方向相同,形成α相域;爐冷時,試樣冷卻速度更慢,在高溫停留時間長,多型轉變進行的很充分,所有的α相均變得粗大,α相域間形成較明顯的晶界,屬于典型的粗晶狀魏氏組織。
3.2 β熱處理對TA15鈦合金性能的影響
不同的原始組織,經過相變點以上β熱處理,其變化規律大致相同,即:對應不同的溫度,隨冷卻速度的減慢(WQ 用料在1000℃、1020℃對應的斷裂韌性指標進行測試的結果。
在相變點以上溫度熱處理,溫度的影響變得次要。較慢的冷卻速度,對應斷裂韌性較高,同表2.1中對應斷裂韌性數值相比升高40~67%,而且在進行斷裂韌性的測試過程中,對應水冷,難以獲得測試需要的初始裂紋(圖中對應水冷組織斷裂韌性指標,僅供參考,并不能反應材料的實際斷裂韌性),對照其組織形貌,從而反映出水冷組織抗裂紋生成和開始斷裂的強度較高,爐冷組織抗裂紋擴展和斷裂發展的強度較高[3]。
4 結論
4.1 在相變點以上熱處理,組織發生相變,冷卻后均為"β轉組織";不同的冷卻速度對應集束粗細不同水冷時組織表現為(針狀α'+β)組織,空冷組織為(α相域+β)組織,爐冷組織為典型的α+β魏氏組織,α相域有較厚的α晶界包圍;
4.2 在相變點以上熱處理,對應性能,較快的冷卻速度對應強度較高,沖擊、斷裂韌性較低,塑性較差,隨著冷卻速度的減慢,強度相對降低,塑性、沖擊及斷裂韌性明顯增加。
參考文獻
[1] 李青云等.稀有金屬加工手冊,北京,冶金工業出版社,1985:74
[2] 《加熱溫度及冷卻速度對TA15鈦合金組織性能的影響》,王永強等,金屬學報,2002:87~88
[3] Ning X L, Wang G H. Translated from "Semi-finished product of titanium alloy", Rare metal Materials and Engineering prall,1996:23~47(寧興龍,王國宏譯文.鈦合金半成品加工. 稀有金屬材料與工程出版社.1996:23~47)
