轧制和热处理工艺对TC4钛合金棒材超声声速的影响

发布时间: 2024-04-20 11:21:55    浏览次数:

TC4钛合金是一种典型的两相钛合金,具有高强度、高比强度和低弹性模量等优异特性,除在航空航天工业中作为重要的结构材料外,在生物医疗领域也得到广泛的应用[1-3],如用于制造医用超声刀[4]。超声刀因具有切割准确、止血快速等优点被广泛应用于外科手术中[5]。为保证超声刀使用的稳定性,要求原材料TC4钛合金棒材的超声声速控制在一定的范围,且波动性越小越好。超声波在材料中的传播速度与材料的显微组织形态息息相关[6-7],而钛合金的显微组织形态除受到合金成分的影响外,主要是由加工工艺决定的,因此加工工艺对钛合金超声声速有显著的影响。郑念庆等[7]研究了相变点附近单重热处理对φ30mmTC4钛合金精锻棒材超声声速的影响,时靖等[8]研究了锻造温度和变形量对TC4钛合金锻件超声声速的影响,李运等[9]研究了精锻温度、变形量及热处理制度对Ti7Al4Mo合金超声声速的影响。对于TC4钛合金棒材,除了需要进行常规的退火处理、固溶时效处理外,有时还需要进行三重热处理[10-12],而关于轧制和多重热处理工艺对TC4钛合金棒材超声声速的影响尚未见报道。

以TC4钛合金轧制棒材为例,研究了轧制工艺、固溶时效热处理和三重热处理工艺对棒材超声声速的影响,以期为实现TC4钛合金轧制棒材超声声速的控制提供参考。

1、实验

1.1实验材料

实验所用材料为西部超导材料科技股份有限公司生产的φ45mmTC4钛合金棒坯,其化学成分见表1,相变点温度为995℃。棒坯显微组织为典型的双态组织,如图1所示。

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1.2方法与设备

在φ45mmTC4钛合金棒坯上切取等长度的轧制坯料,按照表2所示方案进行棒材轧制,得到规格分别为φ12、φ16、φ25mm的TC4钛合金棒材。

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在940℃轧制的φ25mmTC4钛合金棒材上切取热处理试样,按照表3所示方案进行固溶、固溶时效以及三重热处理试验。

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在轧制棒材和热处理后试样的心部切取金相试样,经研磨、抛光、腐蚀后,采用光学显微镜进行组织观察,并利用Image-ProPlus5.0图像分析软件统计α相含量。采用CL400型超声脉冲反射仪(探头频率10MHz)测试试样心部的超声声速(测试误差≤3m/s),以3支平行试样的平均值作为实验结果。

2、结果与分析

2.1轧制对棒材超声声速的影响

2.1.1轧制变形量的影响

图2是940℃轧制的φ12、φ16、φ25mmTC4钛合金棒材横向与纵向显微组织。从图2可以看出,轧制变形量不同时,棒材的显微组织形态有一定差异。随着变形量的增大,初生α相含量变化不明显,但纵向拉长程度显著增大且晶粒细化。这是由于轧制过程是多道次变形,每个道次都伴随着棒材温度的降低,变形量越大,轧制道次越多,温降越明显,故初生α相沿纵向拉长的程度就越明显,且在变形过程中由于发生动态再结晶导致晶粒细化。同时可以看出,随着变形量的增大,次生α相的形态也由平直的层片状转变为细碎的点状。这是由于成品规格越大,变形量越小,轧制道次越少,轧制结束后温度越高,次生α相主要在轧后冷却过程中从α/β相界、β晶界或晶内高能缺陷处形核以层片状形态析出并逐渐长大。但成品规格越小,轧制道次越多,轧制过程中伴随的温降也越明显,上道次轧制结束后析出的层片状次生α相会在下道次轧制过程中发生剧烈变形,经多个道次轧制变形后次生α相主要呈细碎的点状分布。

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表4是在940℃下经不同变形量轧制的φ12、φ16、φ25mmTC4钛合金棒材的超声声速。从表4可以看出,随着轧制变形量的增大,棒材超声声速逐渐降低。

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这是因为超声声速大小与弹性模量呈正相关,而弹性模量反映材料的原子间结合力,受α/β相含量和形态的影响[6]。随着轧制变形量的增大,TC4钛合金棒材α/β相含量无明显变化,但纵向α相拉长程度逐渐增强,弹性模量逐渐降低,超声声速也逐渐降低[13-14]。

2.1.2轧制温度的影响

图3是经900、940、980℃轧制的φ25mmTC4钛合金棒材横向与纵向显微组织,其超声声速如表5所示。从图3可以看出,随着轧制温度的升高,初生等轴α相含量逐渐降低,纵向拉长程度逐渐减弱,片层状次生α相逐渐析出,且厚度逐渐增大。轧制温度为900℃时,棒材初生等轴α相含量超过70%,纵向α相基本沿轧制方向呈拉长的流线分布;当轧制温度提高到940℃时,初生等轴α相含量降低到30%~40%,纵向α相因相变和再结晶,沿轧制方向拉长程度明显减轻,等轴性明显提高;当轧制温度提高到980℃时,初生等轴α相含量降低到15%以下且尺寸减小,纵向α相依然沿轧制方向分布,但基本呈等轴状形态。

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从表5可以看出,随着轧制温度的升高,棒材超声声速逐渐提高,从900℃轧制时的6110m/s逐渐提高到980℃轧制时的6162m/s,这是组织中α相含量减少和纵向等轴化综合作用的结果。α相属于密排六方结构,其弹性模量要高于体心立方结构的β相,因此超声波在α相中的传播速度要快于β相,即α相含量越高,超声波的传播速度越快[6-7]。故随着轧制温度的升高,初生α相含量逐渐降低,其超声声速理应逐渐降低。然而,弹性模量除了与α/β相含量有关外,也会受到α相晶体取向的影响,这是因为α相具有显著的各向异性,钛单晶垂直于基面方向的弹性模量为145GPa,但平行于基面方向的弹性模量仅为100GPa[13-14]。随着轧制温度的升高,纵向α相拉长程度逐渐减弱,其弹性模量逐渐提高,且提高幅度大于因α相含量降低造成的弹性模量损失,二者综合作用导致棒材弹性模量逐渐提高,其超声声速逐渐提高。

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2.2热处理对棒材超声声速的影响

2.2.1固溶处理的影响

图4为940℃轧制的φ25mmTC4钛合金棒材经HT1~HT4固溶处理后的显微组织,其超声声速如表6所示。从图4可以看出,经940、970℃固溶处理后,棒材组织均为由一定量初生等轴α相+β转变组织组成的双态组织,但经970℃固溶处理后初生等轴α相含量减少,次生α相含量增加,且与轧制态组织相比纵向α相的等轴性明显提高。当固溶温度继续提高到1000℃时,TC4钛合金棒材组织由双态组织转化为粗大β晶粒组成的魏氏组织,由于棒材规格较小,固溶冷却速度快,无晶界α相析出但晶界清晰且较为平直。

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图4c、4d、4g、4h分别是经970℃固溶后空冷和水冷的横向与纵向显微组织,可以看出不同固溶冷却方式下组织形态差异较大。固溶空冷后形成双态组织,固溶水冷后的组织则是由少量未完全转变的等轴α相+过冷马氏体+残留β相组成的。从表6可以看出,在固溶空冷条件下,随着固溶温度的升高,棒材超声声速逐渐提高,由940℃固溶时的6131m/s提高到970℃时的6140m/s;当固溶温度进一步升高到1000℃时,超声声速提高到6170m/s,这与上文轧制温度提高时超声声速变化的趋势是一致的。

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从表6还可以看出,固溶水冷棒材的超声声速远低于固溶空冷棒材。这是因为钛合金快速冷却时形成了过冷马氏体和残留β相,其中马氏体中的位错、孪晶等缺陷密度较高,降低了原子间的结合力,导致弹性模量降低,同时水冷时残留的β相属于软性相,在所有钛合金相中弹性模量最低[6],因而导致固溶水冷棒材的弹性模量明显降低,超声声速低于空冷棒材。

2.2.2时效处理的影响

图5是940℃轧制的φ25mmTC4钛合金棒材经970℃固溶空冷或水冷+不同时效处理后的显微组织,其超声声速如表7所示。

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从图5可以看出,970℃固溶空冷棒材经500、600、650℃3种不同温度时效处理后,初生等轴α相的含量和形态变化不大,但次生α相的含量和形貌有一定差异。500℃时效处理时大量的次生α相从α/β相界、β晶界或β晶内高能缺陷处析出并逐渐长大呈集束状分布,由于时效温度低,驱动力大,次生α相含量较高。但当时效温度逐渐提高时,次生α相长大驱动力不足,残留的α稳定元素未完全析出并转变为次生α相,导致时效温度越高次生α相含量越低。固溶水冷棒材经500℃时效处理时,马氏体组织逐渐分解形成极细小的次生α相,导致棒材弹性模量逐渐提高。

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从表7可以看出,相较于固溶处理,经过时效处理后的TC4钛合金棒材超声声速都有所提高,且时效温度越低超声声速提高越多。这是因为时效处理使得棒材固溶空冷过程中未完全析出的α稳定元素以次生α相的形态逐渐析出,提高了整体的弹性模量,进而提高了超声声速水平,但时效温度提高会抑制次生α相的析出,从而导致超声声速提高幅度有限。固溶水冷棒材经时效处理后超声声速变化最明显,从固溶时的6105m/s提高到6168m/s,这与固溶空冷+时效处理(HT5)的棒材超声声速水平相当。

2.2.3三重热处理的影响

图6是940℃轧制的φ25mmTC4钛合金棒材经三重热处理后的显微组织,其超声声速如表8所示。从图6可以看出,与固溶+时效后的组织相比,经三重热处理后的组织是由一定量的初生等轴α相+粗的次生片层α相+片层α相间“三生”α相组成的三态组织构成,且整体α相含量更高,次生片层α相明显长大粗化,故整体的弹性模量要高于固溶+时效组织,导致棒材超声声速提高了10~20m/s。此外,三重热处理时第一重固溶冷却方式对最终组织形态和超声声速也有明显影响。

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固溶水冷棒材的等轴α相含量与固溶空冷基本相当,但次生α相分布更加混乱且更多更细,导致其超声声速比固溶空冷棒材高出10m/s。这是因为970℃固溶水冷形成了过冷马氏体,同时组织中积累了大量的位错和层错能,导致在第二重930℃热处理时由于次生α相的形核位置多且长大驱动力大,析出了大量混乱交织的次生α相,在第三重500℃时效处理时残留的α稳定元素以极细的“三生”α相形态逐渐析出,导致整体α相含量高于固溶空冷棒材,因而固溶水冷棒材超声声速较高。

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从以上研究可以看出,轧制和热处理工艺都对TC4钛合金棒材超声声速有明显的影响,为获得理想的超声声速,可以通过调整轧制或热处理工艺参数来实现。例如要获得较高的超声声速,可以通过高温小变形量轧制结合三重热处理来实现。

3、结论

(1)轧制温度和轧制变形量对TC4钛合金棒材超声声速影响很大,当轧制温度从900℃升高到980℃时,超声声速从6110m/s提高到6162m/s,当轧制变形量从69.14%增加到92.89%时,超声声速从6136m/s降低到6093m/s。

(2)随着固溶温度的升高和时效温度的降低,TC4钛合金棒材的超声声速逐渐升高。当固溶温度在970℃,时效温度在500℃时,经固溶时效热处理后超声声速最高可达6170m/s左右。

(3)与固溶时效处理相比,经三重热处理后TC4钛合金棒材的超声声速更高,最高可达6190m/s,第一重热处理采用水冷的棒材最终超声声速高于采用空冷的棒材。

(4)通过调整轧制和热处理工艺参数,可以实现TC4钛合金棒材超声声速的控制。

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