体育器材用Ti60钛合金棒高温塑性性能和微观组织试验研究

发布时间: 2024-04-19 10:38:50    浏览次数:

目前,高温钛合金的开发主要是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金,由于合金中含有较少的β稳定元素,故称其为近α合金[1]。钛合金具有一系列的优点,例如:密度小、强度高、耐腐烛、抗氧化性和使用温度高等[2-3],广泛应用于航空、医学和体育器材等领域。Ti60合金是在IMI834合金基础上提高Si元素含量,增添Ta元素设计而成的一种新型近α型高温钛合金,它是先进航空发动机中高温部件的备选材料[4]。

钛合金棒

硅在Ti60合金中的存在方式有两种:硅固溶在基体中、以硅化物的形态析出。Ti60合金为近α型合金,A1是钛合金中最为重要的合金化元素,为最大限度发挥A1的固溶强化作用,避免因A1过量而引起合金脆化,一般需将A1含量控制在6%。高温钛合金的热稳定性一直是一个热点的话题,钛合金在高温环境下,其力学性能明显降低[5]。Ti60合金由于含有较多的Si元素,在600℃及以上温度具有好的蠕变特性和高温抗热特性,越来越受到重视[6-8],在体育器材等方面应用广泛。鉴于此,本文以体育器材用的Ti60合金铸件进行等温压缩试验,研究该合金在960~1110℃和应变率0.001~10.0s-1下的材料特性,从而分析体育器材用Ti60合金的高温塑性性能和微观组织变化。

1、实验材料及方法

以直径为300mm的体育器材用Ti60钛合金棒料铸件为例,其名义成分如表1所示。

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Ti60合金试件的微观组织如图1所示,其组织主要由α+β的双相区构成,晶粒大小杂乱无章,纵横交错。Ti60合金的β相转变温度为1049℃。试件的热压缩试验在Gleeble-3800试验机上进行,设定温度区间960~1110℃,变化增量30℃,应变率0.001~10.0s-1,加热速率5℃/s。

合金试件的安装方向与压缩轴的轴向方向平行,通过贴在合金试件中间面上的热电偶来测量合金试件的温度。试件在每次压缩试验结束后,进行快速淬火处理,用光学显微镜DFC320观察合金的组织。

2、实验结果及分析

2.1本构方程

合金的本构方程可表示成

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式中:σ为流变应力MPa;α、A和n为材料参数;Z定义为

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式中:ε觶为应变率;Q为表观活化能;R为空气常数;T为绝对温度。

由(1)、(2)可推导得

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表观活化能Q表达式为

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常数α可由lnε觶和lnσ峰的曲线近似求得,如图2所示,大致确定α的值,在两相区为0.010,单相区为0.021。

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同样,通过绘制lnsinh(ασ)和1/T的曲线可得到合金的表观活化能,如图3所示。可看出,Ti60合金在两相区和单相区的表观活化能为648、179kJ/mol,造成这种数值差异的原因是不同相区的变形形式不同,片状α组织的动态球化作用是α+β相区活化能高的原因。

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对于β相区的热变形,其活化能为179kJ/mol,比β-Ti的自扩散稍大,原因是合金中溶质原子的扩散作用,同时也说明在β相区位错是主要的变形形式。

图4、5反应了lnZ和lnsinh(ασ)分别在α+β和β相区的关系,得到n和A在α+β和β相区分别为2.47,5.04×1025和3.10,5.45×1025。

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所以可以得到Ti60合金在α+β和β相区的本构方程分别为:

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2.2合金微观组织

合金的塑性主要由两相区的σ和β的晶粒决定,50∶50的α和β比例是最理想的情况。图6为变形温度990℃和应变率0.001s-1,α相含量为60%时的合金组织相图。可看出,晶粒各相等大,此时合金的力学性能较好。

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图7给出了应变为0.6,不同温度下合金试件的应变率和流动应力的关系曲线。可知,合金的流动应力随应变率的增大而增大;在应变率一定时,温度越高,合金流动应力越小。

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3、结论

(1)α+β相区和β相区的表观活化能分别为648、179kJ/mol,原因是α+β相区片状α组织的动态球化作用更剧烈。

(2)流动应力随应变率的增大而增大;变形温度越高,流动应力越小。

参考文献:

[1] 贾蔚菊,曾卫东,张尧武,等 . 热处理对 Ti60 合金组织及性能的影响 [J]. 中国有色金属学报, 2010 , 20(11) : 2136-2141.

[2] 田宏杰,郭鸿镇,赵张龙,等 . 变形温度对 Ti2AlNb/Ti60 双合金焊接头组织性能的影响 [J]. 热加工工艺, 2013 , 42(1) :20-26.

[3] 程 军,毛 勇 .Ti-25Al-14Nb-2Mo-1Fe 合金高温力学性能研究[J]. 热加工工艺, 2012 , 41(22) : 9-12.

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[5] 赵永庆 . 高温钛合金研究 [J]. 钛工业进展, 2001(1) : 33-39.

[6] Suwarno S.Microstructure and hydrogen storage properties of as-cast and rapidly solidified Ti-rich Ti-V alloys [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China , 2012 , 34(21) : 1831-1838.

[7] 丁蓓蓓,李伯龙,韩 鹏,等 .Nd 对一种近 α 型高温钛合金热稳定性的影响 [J]. 热加工工艺, 2011 , 40(18) : 4-7.

[8] 石卫民,魏寿庸,王鼎春,等 .Ti60 钛合金大棒材的显微组织及力学性能 [J]. 中国有色金属学报, 2010 , 20(1) : 75-78.

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