冷却方式对航空航天领域用TA15钛合金棒组织与力学性能关系的影响

发布时间: 2024-02-02 16:03:33    浏览次数:

钛及钛合金具有比高强度、无磁性、低密度和耐低温等众多优异特性,在石油、化工、海洋等领域都有广泛应用[1-2]。TA15钛合金是一种典型的近α型钛合金,其名义成分为 Ti-6AL-2Zr-1Mo-1V,是一种十分常见的近α型合金,该合金具有中等强度、良好的蠕变性能、优异的耐腐蚀性等特点,广泛应用在航天航空领域[3-4]。

目前对该合金的研究领域众多,其中李永奎等[5]研究了基于热膨胀方法的 TA15钛合金的连续冷却相转变,结果表明:TA15钛合金的临界冷却速率分别为3 K/s 和 30 K/s;该合金在室温条件下的组织为α+β 集束,在冷却时产生β相向α相的转变;相比于差示扫描量热法,使用热膨胀方法测定的相变点温度较低,故此方法在测试相变过程中体积变化较大的合金时较为实用。纪小虎等[6]研究了变形温度对大塑性变形 TA15合金显微组织和力学性能的影响,结果表明:TA15钛合金经 3 道次锻造加工后,组织细化明显,并有球化现象;提升变形温度会抑制组织中等轴α相的细化效应,对于片状α相产生的细化效果更加明显,这是因为激发了不连续动态再结晶机制;在提升变形温度的同时,合金的强度和塑形产生相反的变化趋势,其中抗拉强度降低较为明显。

钛合金棒

因为 TA15钛合金的微观组织主要以α相组成,并有少量β相存在于组织中,导致该合金的强化机理以析出相为主,故该合金的冷却方式对析出相十分重要,本文选取不同冷却方式对加热后合金进行冷却,探究不同冷却方式与该合金的组织和力学性能的关系。

1、 试验材料与方法

本试验选用的材料为TA15钛合金棒材,合金使用中间合金及小颗粒海绵钛为原材料,随后经过熔炼、探伤、机加和锻造等工艺制成棒材,对棒材进行取样测试其化学成分,测得棒材化学成分为(质量分数,%):6.76Al、1.73Mo、2.2V、0.22O、Ti 余量。使用金相法测得该合金棒材的相变点为 1 010~1 015 ℃。随后将该合金进行切割,将切割完成的合金进行加热处理,加热温度分别为单相区(1 030 ℃×2 h)与两相区(980 ℃×2 h),随后对加热后合金进行水冷(WQ)、空冷(AC)、炉冷(FC)处理,将经不同冷却处理后的棒材进行加工取样,分别加工成微观组织、维氏硬度及拉伸试样,随后进行微观组织观察、维氏硬度及拉伸性能测试,其中维氏硬度测试取 5 个点,最后取平均值,拉伸试验每组测试 3 个试样,最后取平均值。使用 ICX41M 型光学显微镜观察微观组织,维氏硬度测试使用 HVKS 型号硬度计,使用INSTRON 型万能试验机测试室温拉伸性能。

2、 试验结果与分析

2.1 金相组织

图 1 为棒材经不同冷却方式处理后的金相组织,当加热温度位于两相区时(980 ℃),3 种冷却方式处理后,金相组织最大的区别为初生α相含量与尺寸不同,在经水冷与空冷处理后的组织中初生α相接近,而经炉冷处理后,初生α相含量降低,但尺寸最大。在空冷与炉冷处理后的组织中,无明显的β转变组织。在次生α相方面,因为水冷处理时,组织中形成较大的过冷度,析出的一定量的次生α相,同时组织中形成过饱和固溶体以及亚稳定β相,当合金经空冷处理后,因为此时冷却速率较慢,形成具有针状结构的次生α相减少,其位于初生α相之间,当合金经炉冷处理后,因为炉冷过程中的冷却速率最慢,使得组织中次生α相有充足时间和能量进行长大,导致组织中形成的次生α相十分粗大[7]。

t1.jpg合金加热到单相区后(1 030 ℃),再以 3 种不同冷却方式进行冷却后的金相组织,与加热温度位于两相区相比较,最大的区别为组织中初生α相完全消失,这是因为此时的加热温度为单相区,组织中的α相完全溶解消失,发生α寅β 转变,当进行水冷处理时,组织中的β相会形成马氏体α忆相及亚稳定β相,α忆相形貌为细小针状结构,并无明显α晶界出现,当合金加热后进行空冷处理,此时组织同水冷组织类似,形成β晶粒及针状α相,同时可见组织中出现三叉晶界,并有β转变组织存在,当合金加热后,再经炉冷处理,组织中次生α相发生粗化,以长条形貌为主,α晶界发生粗化,这是由于炉冷的冷却时间较长,组织发生粗化[8]。

2.2 维氏硬度

图 2 为经不同冷却方式处理后的维氏硬度值,由图 2(a)可知,合金经两相区加热后,再以不同方式进行冷却处理,其中经水冷处理后的硬度最大,经炉冷处理后的硬度值最小,由大到小依次为水冷(300 HV)、空冷(276 HV)、炉冷(267 HV)。由图 2(b)可知,合金经单相区加热后,在 3 种冷却方式中,同样经水冷处理后的硬度值最大,经炉冷处理后的硬度值最小,由大到小依次为水冷(306 HV)、空冷(285 HV)、炉冷(274 HV)。

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可以发现,合金在单相区以及两相区加热后,3 种冷却方式处理后的合金硬度均是水冷最大,而炉冷最小,其中单相区硬度均高于两相区,当合金经过水冷处理后,组织由初生α相以及次生α相为主,且次生α相含量最多,其中次生α相的硬度较初生α相要高,所以经水冷处理后合金的硬度最大,当加热温度位于单相区后,组织中初生α相完全消失,并析出大量次生α相均匀分布,硬度取样位置均是α相,导致合金单相区硬度大于两相区[9]。

2.3 拉伸性能

图 3(a)为合金经两相区加热后,在不同冷却方式处理后的拉伸性能,由图 3(a)可知,经不同冷却方式处理后,合金的强度大小为经水冷处理后最大,而经炉冷处理后最小。其中合金的抗拉强度(Rm)值分别为水冷(988 MPa)、空冷(962 MPa)、炉冷(942 MPa),其屈服强度(RP0.2)值分别为水冷(968 MPa)、空冷(931 MPa)、炉冷(915 MPa),合金的塑性与强度呈现出相反趋势,断后伸长率(A)分别为水冷(10%)、空冷(14%)、炉冷(19%),断 面 收 缩 率(Z)分 别 为 水 冷(21%)、空 冷(29%)、炉冷(32%)。由图 3(b)可知,合金经单相区加热后,再以不同冷却方式处理后,合金的强度同样为水冷最大,而经炉冷处理最小,塑性趋势与强度相反,但合金塑性较差,其强度最大值为经水冷处理后,其中抗拉强度(Rm)为 1 013 MPa,屈服强度(RP0.2)为989 MPa。

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当合金经水冷处理后,因为水冷冷却速度较快,组织中会形成较多的次生α相,在拉伸时,次生α相的形貌细小均匀,使得组织中位错在进行滑移时,较易产生位错塞积,导致合金强度增大,又因为冷却时形成的次生α相内部包含大量位错,致使合金经水冷处理后强度较大。合金在进行空冷的过程中,较慢的冷却速度会较多的次生α相,但在拉伸时也会有位错塞积现象产生,因为含有一定数量的次生α相,这会增加组织中相界面数量,当相界面数量较多时,对合金有强化效果,增加合金强度。在进行炉冷的过程中,会形成较多的等轴α相,当等轴α相数量较多时,合金塑性会显著提高,这是由于等轴α相中包含较多的滑移系,合金在拉伸过程中,位向较大等轴α相中会有滑移系首先进行开动,故组织等轴α相含量越多,合金在拉伸时产生的形变会快速的扩散至各等轴α相内,避免了应力集中产生,导致合金塑性升高。当合金在单相区加热后冷却,组织中初生α相已经完全消失,导致合金塑性较两相区加热相比,塑性下降明显,同时在水冷时,组织中会析出更多的次生α相,合金强度增加,空冷中形成的细小针状次生α相有所下降,强度降低,而单相区加热后,炉冷的的组织中析出更多条状α相,皆会导致单相区合金强度较高[10]。

3、 结论

(1)当加热温度位于两相区时,经水冷与空冷处理后的组织中初生α相接近,而经炉冷处理后,初生α相含量最多,且初生α相尺寸最大。合金加热到经单相区后,最大的区别为组织中初生α相完全消失,组织中的α相完全溶解消失。

(2)合金经两相区加热后经水冷处理后的硬度最大,经炉冷处理后的硬度值最小,合金经单相区加热后,3 种冷却方式中,同样经水冷处理后的硬度值最大,经炉冷处理后的硬度值最小。

(3)合金强度趋势与硬度一致,而塑性趋势与强度相反,但经单相区加热后合金塑性较差。

参考文献:

[1] 黄艳华,冯继才,彭晖,等.减少 TA12A 钛合金锻造过程表面开裂工艺研究[J].锻压装备与制造技术,2022,57(2):85-87.

[2] 白威,李大东,董雪娇,等.TA1 中厚板电子束焊接组织性能及接头强化原因分析[J].钢铁钒钛,2021,42(6):171-177.

[3] 王哲,何健,张帅,等.锻造设备对 TA15钛合金显微组织及性能的影响研究[J].钢铁钒钛,2022,43(1):80-84.

[4] 武小娟,杨川,张志强,等.TA15钛合金不等厚 L 型材热轧有限元模拟[J].钛工业进展,2022,39(1):1-5.

[5] 李永奎,齐海东,路林,等.基于热膨胀方法的 TA15钛合金的连续冷却相转变[J].材料热处理学报,2021,42(12):69-75.

[6] 纪小虎,孟淼,严思梁,等.变形温度对大塑性变形 TA15合金显微组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报,2022,32(3):752-762.

[7] 王少阳,张雪敏,田程,等.退火温度对 TA6 合金棒材组织与性能的影响[J].锻造与冲压,2021(19):59-61.

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[9] 马庆,魏科,唐海兵,等.TA15钛合金双道次热压缩变形软化行为及等轴α相组织演变规律[J].材料热处理学报,2021,42(8):40-47.

[10] 王贺,马树元,王嘉琛,等.丝材电弧增材制造 TA15/TC11 梯度结构材料的显微组织和力学性能 (英文)[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2021,31(8):2323-2335.

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