双重退火工艺对TC21钛合金板材组织和性能的影响

发布时间: 2024-04-12 10:07:06    浏览次数:

TC21是我国自主研发的高强高韧钛合金,名义成分为Ti-6.4Al-3Mo-1.9Nb-2.1Zr-2Sn-1.5Cr,经固溶处理后,其抗拉强度可以达到1100MPa以上。因其优异的综合性能,已在国内宇航领域获得大量使用。由于TC21合金强度高,加工难度大,前期国内主要以锻造方式生产棒材和锻件。对于TC21合金锻造产品已进行大量研究工作,而本文则针对厚度为6.3mm的板材开展热处理工艺对其性能和组织影响的研究,为后续工业化生产提供技术支持。

TC21钛合金板

1、实验材料及方法

1.1实验材料

坯料为在相变点以下30~50℃锻造板坯,其规格为153mm×502mm×802mm。铸锭采用3次真空自耗电弧熔炼(VAR)熔炼,铸锭扒皮、切冒口处理,铸锭头部取样采用金相法检测相变点为970℃。经过三火次轧制生产工艺制备出厚度6.3mm的TC21钛合金板材,热轧后未经热处理(热轧态)及固溶时效后的板材各两块,对其板材采用水切割方式取试样,化学成分见表1。

表1板材化学成分(质量分数)%

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1.2板材热处理

使用高精度(±2℃)箱式热处理炉对试样进行热处理,先选取不同固溶温度对试样进行固溶处理,固溶热处理时间均为1h,冷却方式为空气冷却(AC)。对最优固溶温度(900℃)处理后的试样进行不同温度的时效处理,时效热处理时间均为4h,冷却方式为空气冷却,固溶温度与时效温度见表2。

表2板材固溶温度与时效温度°C

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1.3性能测试

测试了板材的显微组织、拉伸性能,其中板材力学性能均按标准GB/T3621—2007实验方法执行,测试方向为横向(T),为保证测试点的准确性,每个热处理制度测试3个样,结果取平均值。

2、结果与讨论

2.1固溶温度对板材显微组织的影响

图1为板材在热轧态及固溶处理后的横向显微组织照片。从图中可以看出,热态组织和固溶处理后的组织均为α+β两相区加工态组织,随着温度的升高,组织中初生α相含量减少,次生α相含量增加,组织更加均匀细小。当温度达到900℃时,晶粒尺寸最小,组织最均匀。随着热处理温度继续升高,920℃时,已出现了β相,温度继续升高至940℃,由于退火温度接近相变点,此时晶粒长大显著,组织中大部分为β相及较少的初生α相及次生α相。这种粗大的β组织对综合性能不友好。根据文献报道,要想得到组织均匀,综合性能优异的板材,一般都需要进行双重热处理,下文将对经过900℃固溶处理的板材试样进行时效热处理。

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图1板材热轧态及不同固溶温度处理后的显微组织:(a)热轧态;(b)840℃;(c)860℃;(d)880℃;(e)900℃;(f)920℃;(g)940℃

2.2固溶温度对板材力学性能的影响

图2为不同固溶温度下板材横向力学性能,可以看出,热态板材的横向抗拉强度(Rm)达到1307MPa,经840℃退火后强度降低,随着固溶温度的升高,板材的抗拉强度和屈服强度(Rp0.2)呈先增大后减小的趋势,当温度达到900℃时,板材的抗拉强度和屈服强度分别达到最大值1315MPa和1195MPa,这是因为随着固溶温度的升高初生α相含量减少,900℃时晶粒最细小,达到最佳的强化效果,并且较高的固溶温度可使TC21钛合金在固溶退火后组织中保留更多的β相,进而促使组织在时效处理后能析出更多的次生α相,提高强化效果。温度继续升高到940℃,晶粒长大,板材强度降低。随着固溶温度的升高,材料的延伸率(A)和断面收缩率(Z)先增大后减小,在860℃时在到最大,是因为此温度下,材料内组织均匀,晶粒细小,材料的韧性相对较高。

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图2不同固溶温度下板材力学性能:(a)抗拉强度和屈服强度;(b)延伸率和断面收缩率

2.3时效温度对板材显微组织的影响

图3是对900℃固溶处理后的板材,再经过540~620℃固溶时效处理后的组织照片,可以看出各时效温度下组织均为α+β两相区加工组织,浅色为α相,深色为β相,时效温度对组织变化影响不大,经测定初生α相的质量分数为30%左右,600℃时组织最均匀,晶粒细小,等轴化最明显,有少量次生α相析出,在此过程中通常会得到较高的强度和塑性,由此推断此温度下的时效效果最佳。

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图3板材不同固溶温度处理后的显微组织:(a)540℃;(b)560℃;(c)580℃;(d)600℃;(e)620℃

2.4时效温度对板材力学性能的影响

对900℃固溶后的板材进行540~620℃时效处理,板材的力学性能如图4所示。可以看出随着时效温度的增大,板材强度变化不大,600℃时屈服强度达到最大值1275MPa,同时抗拉强度为1350MPa。板材的延伸率(A)变化不大,但是断面收缩率(Z)达到最大值32.6%。

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图4不同时效温度下TC21板材力学性能:(a)抗拉强度和屈服强度;(b)延伸率和断面收缩率

3、结论

(1)不同固溶温度对TC21钛合金板材(6.3mm)组织有较大的影响,随着固溶温度的升高,组织中β相增多,900℃时组织更加均匀细小,板材的强度达到最高。

(2)固溶后的板材再经过时效处理,组织和性能更加优异,600℃时效后屈服强度达到最大1275MPa,断面收缩率最高。

(3)TC21板材(6.3mm)选用900℃/1h,AC+600℃/4h,AC双重退火制度,可以得到板材的强度和塑性的良好匹配。

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