自由鍛工藝及“O”含量對(duì)TC4薄壁環(huán)材沖擊韌性的影響

　　2015/7/9 17:03:10

　　前言

　　TC4鈦合金名義化學(xué)成分為Ti-6Al-4V, 是一種應(yīng)用最為廣泛的鈦合金, 它在鈦合金產(chǎn)品中占60%左右。但是由于TC4鈦合金的抗沖擊韌性差，嚴(yán)重限制了其更廣泛應(yīng)用[1～2]。目前，通過不同熱處理制度來調(diào)節(jié)TC4鈦合金沖擊韌性的研究較多，但由于國(guó)內(nèi)TC4鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用一般都僅采用普通退火處理，所以通過選擇TC4鈦合金的化學(xué)成分范圍及通過加工手段改善顯微組織狀態(tài)和晶粒形狀及尺寸對(duì)調(diào)節(jié)該材料的綜合性能的影響研究具有重要的意義[3～5]。為了獲得具有良好沖擊韌性的TC4薄壁環(huán)材，作者進(jìn)行了不同“O” 含量和不同鍛造工藝對(duì)TC4薄壁環(huán)材沖擊韌性的影響研究，為某些飛機(jī)部件的工程化生產(chǎn)和產(chǎn)品組織和性能優(yōu)化提供參考依據(jù)。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)材料

　　實(shí)驗(yàn)用材料選用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的兩組不同“O”含量Ф720㎜鑄錠，鑄錠經(jīng)3次真空自耗熔煉，化學(xué)成分及相變點(diǎn)（金相法測(cè)定）見表1......

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法

　　A、B兩組坯料，按照合適尺寸進(jìn)行下料后，分別按照?qǐng)D2中的3種鍛造方案進(jìn)行環(huán)材制備。在3150t水壓機(jī)上經(jīng)預(yù)變形、制坯和成型等工序后，制備為Ф337/Ф298×300㎜規(guī)格的薄壁環(huán)材。環(huán)材熱處理制度為750℃/1h?AC鏡進(jìn)行觀察......金相試樣所用腐蝕液為10%HNO3 +5%HF +85%H2O。

　　2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1 顯微組織

　　在不同工藝生產(chǎn)的環(huán)材上切取橫向和縱向高倍試樣，分析其顯微組織如圖3所示。從圖3可看出，3種加工方式生產(chǎn)的環(huán)材均為兩相區(qū)加工組織，都是由初生α相和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，但其初生α相卻表現(xiàn)出完全不同的形狀。方案1生產(chǎn)的環(huán)材初生α球化程度最好，橫、縱向顯微組織都很均勻，初生α含量為75%，直徑10～25μm；方案2的......

　　2.2 沖擊韌性

　　在環(huán)材弦向切取沖擊試樣，開口位置分別在環(huán)材的外表面（開口垂直于端面，表示為ak⊥）及端面（開口平行于端面，表示為ak∥），每組試驗(yàn)使用3個(gè)平行試樣，結(jié)果取平均值。測(cè)試數(shù)據(jù)見圖4。

　　同種鍛造工藝下，高氧含量的環(huán)材其沖擊韌性約為低氧含量沖擊韌性的71～81%。這是由于雜質(zhì)元素含量是影響沖擊韌性的重要因素，雜質(zhì)元素含量的升高，明顯降低了沖擊韌性值[8]；而相同坯料生產(chǎn)的環(huán)材......

　　2.3 斷口形貌

　　環(huán)材沖擊試樣宏觀斷口形貌見圖5。沖擊斷口呈灰色，均可分為3個(gè)區(qū)域，纖維區(qū)、放射區(qū)以及剪切唇。

　　其中工藝1沖擊試樣的宏觀斷口表面較為平直，纖維區(qū)所占面積較大。這也可以定性地反映試樣沖擊韌性的好壞[9]；工藝2平行試樣的撕裂棱沿裂紋擴(kuò)展方向分布，且與工藝3的斷口表面溝槽分布流線較為明顯，⊥試樣的撕裂棱與裂紋擴(kuò)展方向垂直，與環(huán)材金屬流向完全一致。說明......

　　2.4 斷口組織

　　沖擊試樣的缺口形式對(duì)沖擊韌性影響非常大，V形缺口比較尖銳，更能反應(yīng)材料的缺口和內(nèi)部缺陷對(duì)動(dòng)態(tài)載荷的敏感性。其沖擊功大部分消耗于裂紋的擴(kuò)展。圖7為低“O”含量坯料，不同工藝下的ak∥沖擊試樣的斷口組織顯微形貌。

　　B1∥試樣由于初生α相尺寸較小，且呈彌散狀不連續(xù)分布。由于初生α相晶粒尺寸小(約為10～25μm)，因此，晶粒邊界或相界處的微裂紋不大可能對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生有效的偏轉(zhuǎn)，從而對(duì)沖擊韌性起到改善作用[10～11]。但是，與B2和B3兩種組織狀態(tài)相比......

　　3 結(jié)論

　　(1). 兩相區(qū)變形量對(duì)TC4鈦合金組織形態(tài)影響較大。增加變形量可使環(huán)材組織更加均勻細(xì)小，并提高等軸化程度。較小的兩相區(qū)變形量形成交錯(cuò)的集束狀組織；

　　(2). 沖擊韌性斷口表現(xiàn)為典型的韌性斷裂特征，細(xì)小等軸狀組織的沖擊韌性較高。交錯(cuò)的集束狀組織可通過改變裂紋擴(kuò)展路徑來改善材料沖擊韌性?？傮w而言，不同組織狀態(tài)下沖擊韌性變化不大。

　　(3). 環(huán)材的最終成型采用芯軸拔長(zhǎng)工藝，具有較強(qiáng)的金屬流線，這對(duì)沖擊韌性產(chǎn)生的影響較大。開口方向平行于環(huán)材端面的沖擊韌性是垂直方向的**～**......

　　(4). ”O”含量的增加，可明顯降低TC4薄壁環(huán)材的沖擊性能。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，”O”含量從0.12%提升至0.17%，可使薄壁環(huán)材沖擊韌性降低約......