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TC11钛合金大规格环材的组织与性能研究

发布日期:2019-11-21  作者:张雪敏  浏览次数:301
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  TC11钛合金属于高Al当量马氏体型α+β钛合金,该合金具有优异的高温强度,热稳定性及抗蠕变性能,被广泛应用于航空航天领域。TC11钛合金作为重要的航空和宇航材料,主要用于制造服役温度在500℃以下的航空发动机压气机盘、叶片、鼓筒等零件及飞机结构件等。随着航空航天技术的飞速发展,对这些关键部件用钛合金的性能要求越来越高,要求其具有更加优异的综合性能。而钛合金的综合性能与其最终的组织形态、相的比例、晶粒的大小及分布情况密切相关。
  目前,锻造是钛材热加工中最常用且最有效的加工方法。不仅可以直接锻造成工件的形状,还可以优化其微观组织,改善其力学性能。但是,锻造存在遗传性,会造成成品棒材、饼材、环锻件等组织不均匀问题,尤其是大型的饼、环锻件。为此,我们采用多火次换向镦拔锻造工艺制备大规格环材,该变形方式可以使原始坯料中的铸态晶粒得到充分破碎和再结晶,从而消除了成品中出现的金相缺陷。同时,研究热处理工艺对大规格环材组织、力学性能的影响,从而确定最优化的热加工工艺。
  实验材料及方法
  本文实验所用材料为TC11钛合金铸锭,采用3次VAR熔炼,锭型φ700mm,其主要化学成分:Al:6.7%,Mo:3.3%,Zr:1.8%,Si:0.3%,其余为Ti。经金相法测定其相变点为1016℃,铸锭经β相区开坯锻造,α+β相区环坯锻造、冲孔,扩孔成形锻造制得成品规格为φ830mm/φ520mm×220mm。在环材高度方向上截取试样环进行热处理实验,热处理在箱式电阻炉中进行,其方案见表1。
  表1热处理工艺

  为研究环材组织和力学性能的均匀性,将大规格环材按优化出的热处理工艺制度进行整体热处理后,沿厚度方向分为外表层、1/2层和内表层,沿高度方向分为上表面、H/4、H/2、3H/4和下表面(H为环材高度),共15个位置,进行室温拉伸性能检测,考核其力学性能的均匀性,观察不同方向的显微组织,考核其组织的均匀性。

  图1不同固溶温度下TC11合金环材的显微组织
  实验结果与分析
  ⑴固溶温度对TC11钛合金环材组织的影响。
  图1为TC11钛合金环材经过950℃~990℃固溶处理+530℃时效处理6小时后的显微组织。在不同固溶温度+时效处理后,TC11环材显微组织是由等轴初生α相和β转变组织组成,β转变组织上分布着细小的针状和短棒状次生α相。随着固溶温度由950℃升高到990℃,等轴初生α相含量逐渐减少,由950℃时的50%逐渐递减至990℃时的10%,且初生α相晶粒尺寸逐渐增大。同时,随着固溶温度的升高,针状次生α相含量逐渐增加且变得更加细小弥散。同时,伴随着部分初生α相的逐渐溶解,未转变的β相基体含量的饱和度增大,为次生α相的析出增大了驱动力,促使次生α相的含量逐渐增多且细小而弥散。
  ⑵固溶温度对TC11钛合金环材力学性能的影响。TC11钛合金环材经过不同固溶温度处理后的力学性能如图2所示。

  图2不同固溶温度下TC11合金环材的力学性能
  随着固溶温度由950℃升高到990℃,TC11合金的强度先升高后降低,970℃达到峰值,塑性先降低后升高,970℃时为低谷,相比强度的变化,塑性变化趋势较缓。在室温下,起主要强化作用的是位错,随着固溶温度升高,提供的相变驱动力促使次生α相的析出,在塑性变形时,弥散的α相周围产生的应力场阻碍了位错运动,同时α和β相的界面产生弥散强化,使强度大幅提高;随着固溶温度950℃升高到970℃,其塑性变化不明显,断面收缩率和锻后伸长率略有降低。随着固溶温度升高到980℃,初生α相含量骤减,且初生α相长大,导致两相间相界面较少,对位错的阻碍作用减弱,从而使强度下降,塑性变化略有提高,由此可知,在970℃固溶时,TC11钛合金的强韧性匹配最优。
  冷却速度对TC11钛合金环材性能的影响
  TC11钛合金经970℃固溶处理后,不同冷却速度的力学
  性能见表2。由表2可以知,固溶后采用水冷比空冷抗拉强度高260MPa,屈服强度高约220MPa,同时水冷的塑性骤降。图3为TC11钛合金970℃固溶处理后水冷的SEM组织,由图3可知,水冷时,高温固溶处理时大量的亚稳定β相被固定下来,在随后的低温时效过程中,较多的次生α相从亚稳定β相分解出来,并交叉排列在β转变基体上。由于冷却速度快,过冷度大,再结晶晶粒来不及长大,同时引起了晶格畸变,促使在时效过程中,大量细小、无方向性的针状α相从亚稳定β转变相中析出。这些大量的细小次生α相,交错排列,相界面阻碍了滑移的进行,从而使合金变形困难,因此,片状β转变组织越多,强度越高,塑性越差。
  表2不同冷却速度下的TC11钛合金力学性能

  图3水冷后TC11合金环材的SEM组织
  TC11钛合金环材性能均匀性研究
  为提高合金的使用稳定性、性能的稳定性,在实际生产应用中,TC11钛合金大型饼材、环锻件均是在热处理状态下服役。研究热处理工艺对TC11钛合金组织和性能的影响,得出最优的热处理制度为970℃/保温2hAC+530℃/6hAC。将文中大规格环材φ830mm/φ520mm×220mm按照此热处理制度整体热处理后,研究其组织和性能的均匀性。图4为TC11环材沿壁厚和高度方向不同位置的显微组织,由图4可知,采用多火次换向镦拔锻造工艺制备大规格环材,环材在高度方向以及厚度方向的组织均为双态组织,且组织均匀分布,等轴初生α相晶粒尺寸大小均匀分布。对比图4和图1中(c),均为970℃/保温2hAC+530℃/6hAC处理后的组织,发现图1(c)中初生α相含量比图4中少,而次生α相略多于图4。
  图5为TC11钛合金环材不同位置的力学性能,由图5可知,该环材在径向和厚度方向的力学性能均匀性良好,抗拉强度Rm的极差值为15MPa,屈服强度Rp0.2的极差值为18MPa,断后伸长率A的极差值为4.5%,断面收缩率Z的极差值为12%。对比图5和表2,相同固溶时效处理后,试样热处理比环材整体热处理性能高出约80MPa,塑性变化不大。在实际生产过程中,可以通过加快环材在空气中冷却速率而提高其强度。
  结论
  ⑴TC11钛合金随着固溶温度的升高,初生α相含量逐渐减少,且初生α相晶粒尺寸逐渐增大,次生α相含量逐渐增多。室温强度随着固溶温度的升高先升高后降低,同时塑性变化幅度不大。

  图4TC11合金环材不同位置的显微组织
  TC11钛合金大规格环材的组织与性能研究

  ⑵随着冷却速率的加快,TC11钛合金强度增大,塑性骤降。
  ⑶采用多火次镦拔换向锻造的TC11大规格环材的组织和力学性能均匀性良好。在970℃/2hAC+530℃/6hAC固溶时效后,环材具有稳定的强塑性。
  作者简介
  张雪敏,硕士研究生,工程师,主要从事钛及钛合金塑性变形原理,锻造及热处理工艺研究。
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