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: 2024-02-29 18:22:21    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。

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 1.0 mm 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 30 min,冷却方式均为空冷。

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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(10 mL HF+25 mL HNO 3 +60 mLC 3 H 8 O 3 +20 mL H 2 O)中浸蚀 7 s 后,按照 GB/T 5168—2020 标准在 AXIOVERT 200MAT 金相显微镜下进行组织观察;按照 GB/T 228.1—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/T 232—2010标准在TC-12-029弯曲机上测试弯曲性能,弯曲压头直径为 3 mm;按照 GB/T 228.2—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 ℃/440 MPa 和 500 ℃/195 MPa 条件下,按照GB/T 2039—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 121 h(GJB2505A—2018 标准要求不少于 100 h)。

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。

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图 1 热加工态 TA7 钛合金板材横向与纵向显微组织

Fig.1 Microstructures of TA7 titanium alloy sheet in hot working state: (a) transverse; (b) longitudinal

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 9.4 μm,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 11.2 μm(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。

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图 2 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

Fig.2 Microstructures of TA7 titanium alloy sheets after heat treated at different temperatures: (a) 750 ℃, transverse; (b) 800 ℃, transverse;(c) 850 ℃, transverse; (d) 750 ℃, longitudinal; (e) 800 ℃, longitudinal; (f) 850 ℃, longitudinal

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 GJB 2505A—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。

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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 GJB 2505A—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 ℃/440 MPa、500 ℃/195 MPa 条件下的高温持久性能均满足 GJB 2505A—2018 标准要求。

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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.

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