锻造温度对船舶制造用TA5径向锻造钛棒材组织及性能的影响

发布时间: 2024-04-29 15:54:14    浏览次数:

随着近年国家海洋资源开发及对外贸易日趋高涨,较好的抗海水腐蚀的机械装置、舰船材料就特别需要,尤其是深海海水的强大压力,需要设备结构强度高,否则会出现失效。而钛合金具有比强度高、比韧性好、耐海水腐蚀等一系列优点,是一种较为优异的海洋工程材料,在军用和民用设备上表现出较为良好的性能[1-2]。

TA5钛棒

TA5是一种全α型钛合金,属于中强合金,合金塑性较差,在初始热加工阶段极易产生开裂现象。但该合金具有优良的焊接性及耐腐蚀性,也是一种较为理想的海水环境下的结构材料,已被广泛应用于船舶制造业的各类机械部件[3-5]。由于该合金为全α型钛合金,热处理工艺对改善合金塑性不明显,同时国内船用合金近年来用量才逐步增加,所以,关于这方面的研究文献较少。因此,研究温度对径向锻造棒材的组织和性能的影响尤为必要和迫切。

1、试验材料及方法

1.1试验材料

试验铸锭选用优质的0级小颗粒海绵钛、铝豆、确粉和钛铁合金,主元素按照中偏上配料,氧元素按照0.08wt%配料。采用OAS自动混布料系统混料,分三次布料,然后进行电极压制,经过三次VAR真空自耗电弧熔炼,保证真空度1Pa以下。最终制成2t直径500mm的TA5铸锭,化学成分的标准值及实测值见表1。采用金相法测试其相变点为(995+5)℃。

360截图16460524103118133.jpg

1.2试验方法

本文锻造的TA5棒材主要分为两个阶段:第一阶段采用16MN快锻机进行开坏和中间锻造,经过多火次敏拔锻造,最后锻造成φ120mm径向锻造坏料:第二阶段是两次径向锻造,第一次径向锻造加热温度970℃,保温60min,从φ120mm的棒材经过多道次径向锻造至φ70mm,第二次径向锻造至φ46mm,分别设计了四种加热方案,具体方案见表2。方案12.3均一次径向锻造完成后,冷却至室温后,再进行第二次加热锻造,锻后空冷:方案4为第一次径向锻造完成后,直接进行第二次加热锻造,锻后空冷。锻造设备采用16MN快速液压锻造机和SXP-13径向锻造机。加热设备为3级精度要求的箱式电阻炉。热处理设备为2级精度的箱式电阻炉。

360截图166403207274113.jpg

四种工艺下锻造后的棒材经过700℃,60min再结晶退火后,空冷,然后在棒材1/2半径处切取样坏,按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验法》标准加工试样,并进行拉伸试验,拉伸试样标距部分直径φ5mm、长25mm。按照GB/T5168《α-β钛合金高低倍组织检验方法》标准要求进行制样及微观组织检测。冲击试样采用标准V形缺口试样。采用INSTRON4505万能试验机测定所取试样的拉伸性能,LeicaMM-6金相显微镜观察材料的显微组织,按照GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》进行无损检测。

2、试验结果与讨论

2.1不同工艺对棒材组织的影响

图1是TA5钛合金二次径向锻后棒材的显微组织,其均是两相区加工组织。由图1(a)、(b)可以看出,两次加热温度均在相变点以下的显微组织是较为均匀细小的等轴α组织,初生α尺寸基本小于45um。但从二次径向锻造温度为1010℃的图1(c)、(d)两张图则明显可以看出,图中有很少的等轴α,局部区域有块状和条状α。

360截图16331125244351.jpg

从图中也可以看到,图1(d)中晶粒细化程度要好于图1(C)的,由于热回炉高温区加热时间相对要短,钛台金在相变点以上加热晶粒会急剧长大。所以要得到均匀细小的等轴组织,成品锻造温度最好选择在相变点以下。

2.2不同工艺对棒材拉伸性能的影响

从表3中测试数值可以明显看出,在两相区锻造的工艺1和2,工艺1的强度明显要高于工艺2约40MPa,且满足技术协议中屈服强度要求,工艺2未达到要求。工艺2的伸长率明显高于工艺1。由此可以看出,细小的晶粒对钛合金的强度具有较好的贡献作用,要得到较稳定的性能就需要具有较为均匀的组织。

360截图16330102108122101.jpg

但从四种工艺得到的室温性能分析,只有工艺3和4,满足技术协议要求。工艺1和2,伸长率明显低于要求,且工艺2屈服强度也不合格。而工艺4和3相比,抗拉强度要高出9% 左右、屈服强度高出6% 左右,但两种工艺的伸长率却相差将近10%。四种工艺只有工艺3和4,完全满足技术协议要求。

同时分析四种工艺得到的室温拉伸性能数据,可以看出工艺2、3、4,得到的测试数值稳定性要好于工艺1。结合图1和表3对比分析,高温锻造得到的钛合金棒材组织稳定性和性能稳定性要好。

2.3不同工艺对棒材冲击性能的影响

表4为TA5钛合金室温冲击韧性的测试值及平均值。冲击韧性平均值符台技术协议要求的只有工艺2、3、4,但工艺2中测试值中最小值为42.7J/cm2,远小于协议要求的53J/cm2,未能满足技术协议要求;工艺4的冲击韧性最高平均值达到62.3J/cm2,高出要求6% 。工艺3的冲击韧性平均值58.8J/cm2略高于技术协议要求的58.5J/cm2。从表4中的数据分析可知,只有工艺3和4得到的棒材室温冲击韧性完全达到技术协议要求。

360截图163311226910384.jpg

结合图1中显微组织分析可知,图1(c)、(d)中的初生α含量要明显少于图1(a)、(b),初生α含量的减少,使得裂纹萌生源减少,条状α和初生α交错在一起,将会不断改变裂纹扩展方向,从而使裂纹路径更加曲折,因而冲击韧性好[6-7]。这也与表4中冲击韧性数值变化基本一致。

2.4不同工艺对棒材探伤的影响

材料组织对杂波水平的影响是显而易见的,采用超声波无损检测的方式,从杂波的高低就可以判断出材料组织均匀性。因为声波在棒材探伤时,棒材中间存在障碍物时,将会影响波形,而在均匀介质中传播不会产生反射,就不会出现杂波。图2为四种工艺方案得到的棒材探伤波形图(1.2mm平底孔,2.5MHz探头检测)。由图2中显示的探伤波形图可以看出,四种工艺下棒材探伤均满足GB/T5193-2007标准中A1级探伤要求。

360截图16610721324574.jpg

结合图2分析可知,图2(b)、(d)杂波相对低一些,杂波高度基本在10% 左右,且波形起伏平稳;图2(C)中的杂波高度基本在10% ~20% ,波形中有两个波峰;而图2(a)中显示的杂波最高,达到30% 左右,且波形起伏变动比较大。从四种工艺分析,只有工艺1的二次加热温度最低,其它工艺加热要比工艺1的高30~70℃。同时结合图1显微组织看,四种工艺下棒材组织均为等轴组织,均匀性相对好一些的是图1(b)、(d)。由此可得,相同组织下,均匀性好的材料探伤杂波水平要低一些。

3、 结论

(1)TA 5钛合金棒材径向锻造,提高锻造温度有利于提高TA5钛合金棒材的组织均匀性,也降低了初生α含量,有利于提高室温冲击韧性。近β区锻造有利于提高TA5钛台金棒材室温拉伸强度、伸长率及冲击韧性。

(2)组织相对较为均匀的钛合金棒材,探伤杂波水平会低一些。

参考文献:

[1]赵永庆,我国创新研制的主要船用钛合金及其应用[],中国材料进展20147):398-404

[2]沈立华,朱宝辉,马超,等,热处理工艺对TA5钛合金棒材显微组织及性能的影响[].钛工业进展,2014(2):20-23.

[3] 稀有金属材料加工手册[M].北京:冶金工业出版社,985:49-87.

[4]廖强,谢文龙,曲恒磊,等.热轧温度对TA5-A钛合金板材组织及拉伸性能的影响[].热加工工艺012,41(16):50-52.

[5]黄先明,谢文龙,王瑞琴,等,海洋工程用TA5-A钛合金中厚板材研究[.热加工工艺,2017,46(5):163-165.

[6]周义刚,曾卫东,李晓芹,等.钛合金高温形变强韧化机理金属学报,1999,3(1):45-48.

[7]都海刚,檀雯,岳旭,等,退火温度对TC4钛合金薄壁环材冲击韧性的影响[],科技创新与应用,2017(20):62-63.

[8]李华,马英杰,邱建科等.TC4钛合金显微组织对超声波探伤杂波水平的影响[].稀有金属材料与工程,2013.42(9):1859-1863.

[9]董长升,韩泽龙,赵喜明,等.航空叶片用TC11合金棒材显微组织对超声波探伤杂波水平的影响.金属学报,2002,38(Z1):667-66

↑