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大规格TC11钛合金棒材热处理后组织与性能分布规律性研究

发布时间:2024-05-22 17:35:42 浏览次数 :

TC11钛合金是我国于20世纪70年代末研发的一种α+β型钛合金。该合金具有良好的可加工性和热稳定性,可在500~550℃长时间使用。当TC11钛合金用于制作飞机发动机压气盘、叶片、机闸等关键零部件时,需要具备良好的室温力学性能、高温强度和冲击韧性等[1]。通过热处理可以对TC11钛合金的组织进行调控,从而使其获得优异的综合性能[2-4]。目前,TC11钛合金最为常规的热处理制度为(950~970)℃/120min/AC+530℃/360min/AC。

TC11钛合金棒

然而,对于直径在200mm以上的大规格TC11钛合金棒材,热处理过程中,往往由于心部温降缓慢而造成不同位置的组织和力学性能出现差异[5]。此外,TC11钛合金的合金化程度高,含有易偏析元素Mo,故加工过程中合金组织对工艺参数十分敏感,组织均匀性的控制难度较大[6]。因此,研究了大规格TC11钛合金棒材热处理后组织和力学性能的分布规律,以期为实际生产过程中组织和力学性能的均匀性控制提供参考依据。

1、实验

1.1实验材料

实验材料为经过3次真空自耗电弧炉熔炼的TC11钛合金铸锭,其直径为620mm,主要化学成分为:Al6.5%,Mo3.52%,Zr1.69%,Si0.31%,余量为Ti。金相法测得铸锭相变温度为1000~1005℃。铸锭经β相区开坯,α+β相区多火次锻造,得到规格为φ200mm×1300mm的棒材。

1.2实验方法

对TC11钛合金棒材进行970℃/120min/AC+530℃/360min/AC热处理。按图1a所示,沿棒材长度(L)方向分别在L、L/4、L/2处截取φ200mm×20mm盘片,每个盘片沿直径(D)方向分别在D、D/4、D/2处取金相试样和拉伸试样。采用OLYM-PUSPLAG3光学显微镜进行显微组织观察。采用INSTRON8985万能试验机进行室温、高温拉伸性能试验。按图1b所示,在棒材另一端L处沿D至D/2处平均取6个冲击试样,标记为1#~6#。采用ZBC2602-CE冲击试验机进行夏比冲击试验(U型缺口),测量试样的冲击韧性。

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2、结果与分析

2.1显微组织

图2为经970℃/120min/AC+530℃/360min/AC热处理后TC11钛合金棒材沿长度方向和直径方向不同位置的显微组织。D处沿长度方向(L至L/2处)的显微组织(图2a~2c)变化较小,主要表现为等轴初生αp相晶粒长大,部分次生αs相由针状逐渐长大成短条状。D/2处沿长度方向(L至L/2处)显微组织(图2g~2i)变化最为明显,越靠近L/2,等轴初生αp相含量越多且晶粒尺寸更大,次生αs相由针状长大成短条状甚至棒状,β相含量逐渐减少,在D/2、L/2处的显微组织几乎全部为初生αp相和次生αs相。D/4处TC11钛合金的显微组织(图2d~2f)变化介于D和D/2之间。

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显微组织主要与TC11钛合金棒材热处理过程中的温度变化有关。TC11钛合金的导热性较差,在热处理过程中存在一定的温度梯度,在长度和直径方向上越靠近心部,棒材的冷却速度越慢,使得初生αp相和次生αs相有足够的时间缓慢长大,越靠近棒材表面,热处理后冷却速度越快,α相来不及长大,同时可以将更多的β相保留下来。

2.2室温拉伸性能

图3为热处理后TC11钛合金棒材不同位置的室温拉伸性能。沿棒材长度方向从L至L/2处,在D和D/4位置的强度变化较小,但D/2处的室温拉伸性能存在明显差异,靠近L/2处,强度显著降低,塑性增加。室温拉伸性能的变化主要与棒材显微组织的变化有关。沿长度方向,棒材D/2处的显微组织变化最为明显,因此,室温拉伸性能的变化也更具有规律性。这主要是因为沿长度方向,棒材D/2处的初生αp相含量增加,β相含量降低,致使α/β相界面减少,对位错的钉扎作用减弱,使材料更容易发生变形,强度降低,且随着初生αp相含量的增加,材料的变形协调性增加,致使塑性略微增加[7]。

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2.3高温拉伸性能

图4为TC11钛合金棒材不同位置的高温拉伸性能。从图4可以看出,TC11钛合金棒材的高温抗拉强度表现出沿不同方向越靠近心部,强度越低。钛合金的高温拉伸行为较室温拉伸行为更加复杂,受多种因素影响,但也主要与显微组织有关。如前所述,沿长度方向越靠近L/2处,初生αp相、次生αs相含量增加,β相含量降低。观察L处沿直径方向显微组织变化规律可以发现,越靠近D/2处,初生αp相和β相晶粒长大越明显。αp相含量增加会降低高温抗拉强度,同时,次生αs相片层厚度增加、方向性增强,β晶粒尺寸长大等显微组织的变化,也都会造成高温抗拉强度的降低[8]。从图4还可以看出,棒材不同位置的高温塑性变化不大,说明显微组织变化对高温塑性的影响较小。

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2.4冲击韧性

图5为热处理后TC11钛合金棒材L处不同位置的冲击韧性。从图5可以看出,沿棒材直径方向,越靠近心部,冲击韧性越低。对比L处不同位置显微组织可以发现,由D处到D/2处,棒材的初生αp相和次生αs相晶粒逐渐长大,含量增加,对应β相含量逐渐减少。初生αp相界有利于微裂纹的形核[9],因此,初生αp相含量增加,TC11钛合金棒材的冲击韧性降低。

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3、结论

(1)经970℃/120min/AC+530℃/360min/AC热处理后,大规格TC11钛合金棒材不同位置的显微组织存在一定差异。其中,D/2处组织变化最为明显,主要表现为α相含量增加,晶粒长大,β相含量降低。

(2)大规格TC11钛合金棒材不同位置的室温拉伸性能变化与显微组织密切相关。沿长度方向,D/2处的显微组织差异最为明显,室温拉伸性能表现为由边部至心部抗拉强度逐渐降低,塑性升高。

(3)大规格TC11钛合金棒材显微组织对其高温抗拉强度和冲击韧性具有显著影响。越靠近心部(D/2和L/2),高温抗拉强度和冲击韧性越低,但高温塑性变化不明显。

参考文献References

[1]许国栋,王凤娥.高温钛合金的发展和应用[J].稀有金属,2008,32(6):774-780.

[2]邹清燕,蔡俊哲,贾东明,等.TC11棒材初生α含量与热处理温度的关系[J].钛工业进展,2001,18(1):43-45.

[3]姜丽华,田军强,张利军,等.热处理对TC11钛合金室温力学性能的影响[J].材料开发与应用,2017,32(4):38-43.

[4]韩栋,毛小南,张鹏省,等.双重退火温度对高应力水平TC11合金组织性能的影响[J].中国有色金属学报,2010,20(1):577-580.

[5]吴华,杨建朝,李常亮,等.大规格TC11钛合金棒材的热处理[J].金属热处理,2010,35(9):73-75.

[6]王媛,赵民权,谢力,等.TC11合金大规格棒材异常组织分析[J].金属热处理,2015,40(12):53-55.

[7]LütjeringG,WilliamsJC.钛[M].雷霆,等译.北京:冶金工业出版社,2011.

[8]贺飞,陈海峰,王玉会.显微组织对TA15合金高温拉伸性能的影响[J].材料工程,2012(2):13-19.

[9]Zhou W,Chew K G. Effect of welding on impact to ughness of butt-joints in a titanium alloy[J].Materials Science and Engineering A,2003,347(1 /2):180 - 185.

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