热处理温度对TA7钛合金板材组织与力学性能的影响

发布时间: 2024-01-21 08:46:48    浏览次数:

TA7钛合金的名义化学成分为Ti-5Al-2.5Sn,是一种中等强度的α型单相钛合金,具有比强度高、焊接性能好、耐低温性优良、断裂韧性高和热稳定性好等优点,可长期在500℃工作,被广泛用作飞机发动机环锻件、机匣壳体及飞机蒙皮等[1-4]。

TA7钛合金板材生产过程中,由于轧制变形抗力大,加工塑性差,板材边部经常会产生大量裂纹,因而研究人员进行了大量关于改善TA7钛合金塑性的研究。庞洪等[5]研究了不同轧制工艺对TA7钛合金板材组织及力学性能的影响,发现采用包覆叠轧工艺生产的TA7钛合金板材组织细小、均匀,具有比冷轧工艺更好的深冲性及较高的成品率;王韦琪等[6]研究了Fe元素对TA7钛合金工艺特性及低倍组织、力学性能的影响,发现加入适量的Fe元素可以降低相变点,改善TA7钛合金热加工及冷加工工艺塑性,降低热加工及冷加工开裂倾向;邢秋丽等[1]研究了轧制工艺对TA7钛合金板材外观、力学性能和组织的影响,发现在高温下进行一火轧制可以明显减少裂纹;周玉川等[7]研究了轧制工艺对TA7钛合金板材表面开裂的影响,发现采用温轧代替冷轧,可以有效防止板材表面开裂。

钛合金板

包覆叠轧工艺是一种加工钛合金薄板的有效手段[8]。近年来,研究人员发现利用该工艺生产TA7钛合金板材,通过热轧直接轧制成成品,可以有效简化工艺,提高生产效率,降低生产成本[9]。但是,目前鲜有关于包覆叠轧TA7钛合金成品板材热处理研究的报道。为此,本研究以包覆叠轧工艺生产的TA7钛合金热加工态板材为原材料,对其进行不同温度的热处理,分析热加工态和热处理后板材组织和性能的差异,建立热处理–组织–性能的关系,以期为TA7钛合金板材工业化生产中热处理工艺的制定提供参考。

1、实验

实验材料为采用包覆叠轧工艺生产的1.0mm厚TA7钛合金热加工态板材,金相法测定相变点为1010℃,其化学成分见表1。采用辊底式电加热炉对TA7钛合金板材进行热处理,热处理温度分别为750、800、850℃,保温时间均为30min,冷却方式均为空冷。

b1.jpg

从热加工态和经不同温度热处理后的TA7钛合金板材上分别切取横向(T)、纵向(L)试样,进行显微组织观察以及室温力学性能、弯曲性能及高温力学性能检测。金相试样在腐蚀液(10mLHF+25mLHNO3+60mLC3H8O3+20mLH2O)中浸蚀7s后,按照GB/T5168—2020标准在AXIOVERT200MAT金相显微镜下进行组织观察;按照GB/T228.1—2010标准在INSTRON5885电子万能材料拉伸试验机上测试室温拉伸性能;按照GB/T232—2010标准在TC-12-029弯曲机上测试弯曲性能,弯曲压头直径为3mm;按照GB/T228.2—2015标准在TSE105D-Z高温拉伸试验机上测试高温拉伸性能;分别在350℃/440MPa和500℃/195MPa条件下,按照GB/T2039—2012标准在RD-50微控电子式蠕变持久试验机上测试高温持久性能,测试时间121h(GJB2505A—2018标准要求不少于100h)。

2、结果与分析

2.1热处理温度对显微组织的影响

图1为热加工态TA7钛合金板材横向与纵向的显微组织。从图1可以看出,热加工态板材横向存在不均匀组织(图1a),纵向有较多拉长α晶粒和少量等轴α晶粒(图1b),这是由于板材在热轧过程中,硬化和软化同时出现,热轧后纵向组织呈拉长状,静态再结晶不完全所导致的。

t1.jpg

图2为经不同温度热处理后TA7钛合金板材横向与纵向的显微组织,其中图2a~2c为板材横向显微组织,图2d~2f为板材纵向显微组织。由图2可以看出,经750℃热处理的TA7钛合金板材横向为等轴组织和少量的不均匀组织,纵向为等轴组织和少量拉长α晶粒(见图2a、2d),均为不完全再结晶组织。经800℃热处理后TA7钛合金板材横向与纵向均为均匀、细小的等轴组织,平均晶粒尺寸为9.4μm,此时板材已完全再结晶(见图2b、2e)。经850℃热处理后TA7钛合金板材横向与纵向均为均匀的等轴组织,板材晶粒发生长大,平均晶粒尺寸为11.2μm(见图2c、2f)。包覆叠轧后的TA7钛合金板材畸变能较大,有很强的再结晶趋势,因而随着热处理温度升高,再结晶形核与长大都将以更快的速度进行,促使晶粒长大。

t2.jpg

2.2热处理温度对室温力学性能的影响

热加工态及经不同温度热处理后的TA7钛合金板材室温拉伸性能和弯曲性能如表2所示。从表2可以看出,热加工态板材强度最高,延伸率最低,弯曲性能不合格,说明热加工态板材产生了较大的加工硬化,这与终轧温度较低有关。经不同温度热处理后,TA7钛合金板材横向与纵向的抗拉强度接近,室温拉伸性能、弯曲性能均符合GJB2505A—2018标准要求,且室温拉伸性能富余量较大。与热加工态板材相比,强度降低,延伸率增大,说明热处理可以有效降低板材强度,提高塑性。

b2.jpg

此外,随着热处理温度的升高,板材强度降低,延伸率变化不大。

2.3热处理温度对高温力学性能的影响

热加工态及经不同温度热处理后的TA7钛合金板材高温拉伸性能和高温持久性能如表3所示。从表3可以看出,热加工态TA7钛合金板材在350℃和500℃的高温抗拉强度均较高,热处理后的高温抗拉强度较低。随着热处理温度的升高,板材高温抗拉强度逐渐降低,其中经750℃和800℃热处理后板材的高温拉伸性能均符合GJB2505A—2018标准要求,而850℃热处理后不符合500℃高温抗拉强度的要求。从表3还可以看出,热加工态及经不同温度热处理后的TA7钛合金板材在350℃/440MPa、500℃/195MPa条件下的高温持久性能均满足GJB2505A—2018标准要求。

b3.jpg

综合以上分析,为了获得均匀、细小的组织及良好的力学性能,TA7钛合金板材宜采用800℃热处理。

3、结论

(1)热加工态TA7钛合金板材横向存在不均匀组织,纵向有较多拉长α晶粒。经750℃热处理后板材拉长α晶粒基本转变为等轴状;经800℃热处理后板材横向与纵向均为均匀、细小的等轴组织;经850℃热处理后板材横向与纵向均为均匀的等轴组织,平均晶粒尺寸较800℃热处理的板材有所长大。

(2)经750、800、850℃3种不同温度热处理后的TA7钛合金板材,其横向与纵向的抗拉强度接近,与热加工态板材相比,强度降低,延伸率增大;随着热处理温度的升高,板材室温拉伸强度和高温拉伸强度均逐渐降低。

(3)为了获得均匀、细小的组织及良好的力学性能,TA7钛合金板材宜采用800℃热处理。

参考文献References

[1]邢秋丽,王蕊宁,朱晓翠,等.制备工艺对TA7钛合金板材外观、力学性能和组织的影响[J].钛工业进展,2015,32(3):26-29.

[2]刘伟,杜宇.低温钛合金的研究现状[J].稀有金属快报,2007,26(9):6-10.

[3]姚泽坤,孙红兰,张东亚,等.工艺参数组合对TA7钛合金拉伸性能的影响[J].重型机械,2012(3):74-77.

[4]赵永庆.钛合金的研究与开发[J].钛工业进展,2005,22(4):1-7.

[5]庞洪,张海龙,王希哲,等.包覆叠轧TA7钛合金板材的组织与力学性能[J].中国有色金属学报,2010,20(S1):66-69.

[6]王韦琪,羊玉兰,马宝军,等.Fe对TA7合金工艺特性及低倍组织性能的影响[C]//中国有色金属学会第十四届材料科学与合金加工学术年会论文集,2011.

[7]周玉川,李鹏,夏亚峰,等.轧制工艺对TA7钛合金板材表面开裂的影响[J].热加工工艺,2017,46(15):160-162.

[8]洪权.Ti-6Al-4V合金薄板包覆叠轧加工工艺与组织性能研究[D].西安:西北工业大学,2005.

[9]洪权,郭萍,周伟.钛合金成形技术与应用[J].钛工业进展,2022,39(5):27-32.

↑