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TC11钛合金管材的热处理工艺研究

发布日期:2018-09-11  浏览次数:127
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  摘 要:航空及兵器对材料的强度和塑性要求较高,要求抗拉强度Rm为≥1030MPa,屈服强度Rp0.2≥910MPa,延伸率A≥8%,断面收缩率Z≥23%。采用固溶+时效热处理工艺,对热挤压成形的Φ180mm×25mm×L TC11钛合金管进行热处理,研究了热处理制度对材料显微组织和力学性能的影响,探讨了它们之间的影响规律。结果表明,采用固溶+时效热处理在相同的时效制度下,随着固溶温度的升高,合金中初生α相的含量逐渐减小晶粒尺寸逐渐增大,β相含量增加。当温度达到1040℃时出现粗大的原始β晶粒,在原始β晶界上有连续的α相细长的薄片状α相;采用950-970℃固溶合金的力学性均能满足材料的要求。
  关键词:TC11合金;拉伸性能;固溶时效;热处理
  TC11钛合金的名义化学成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si,是一种α+β型耐热钛合金,铝当量为3.5,当量为7.3。该合金具有良好的热加工工艺性(包括常规工艺性能和超塑性),可进行焊接及各种方式的机加工。该合金对热盐应力腐蚀存在着一定的敏感性。该合金主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片、鼓筒及炮管等,也可以制造飞机的结构件。通过α-β区的热处理形变和热处理,该合金的最高长期工作温度为500℃。TC11钛合金是我国航空应用较广的高温钛合金,制件的使用工作条件为,在退火状态下用于500℃以下500h和550℃以下100h以及450℃以下1000h,在强化热处理状态可用于500℃以下1000h工作的零件和在700℃以下一次性工作零件。在俄罗斯相近的牌号是BT9[1]。
  文章研究的挤压成形Φ180mm×25mm要求其抗拉强度Rm≥1030MPa,屈服强度Rp0.2≥910MPa,延伸率A≥8%,断面收缩率Z≥23%,要求其强度和塑性匹配性较高。由于TC11合金化程度高,热挤压变形量大,组织和性能对热处理工艺较为敏感,文章采用了两相区固溶-时效对热挤态管组织和性能的影响,并分析研究组织和性能与热处理工艺之间的关系,为热挤压成形TC11钛合金及兵器应用管的热处理工艺奠定了一定的理论基础。
  1 实验方法
  TC11钛合金锭坯是选用一级海绵钛、工业纯铝丝为原料等,采用三次真空自耗电弧炉熔炼成Φ700mm直径的铸锭,其化学成见表1。
  采用金相法测得合金的β相变点为1010℃,铸锭在 3150t油压机上,经过反复锻造,尺寸为Φ292×650mm锭坯;在3150t水压机上挤压,挤压温度为950℃,保温20分钟,挤压管坯规格为Φ180mm×25mm×L。利用电火花线切割机从合金管坯上切取金相及拉伸试样。试验分别选择:固溶-时效热处理:950℃、960℃、970℃、1040℃/30min,AC+ 530℃/6h,AC;金相分析在OLYM PU SPM G3金相显微镜上进行,HF:HNO3:H2O为1:3:10(体积比)腐蚀剂进行腐蚀。拉伸试样选用圆柱样,其工作区直径为5mm,长度为90mm,拉伸试验在IN-ST RON 1185万能拉伸机上进行。
  2 结果与讨论
  2.1 热处理对显微组织的影响
  通过对TC11热挤压管坯采用四种不同的固溶温度后,采用530℃/6h,进行时效处理后所得显微组织分别如图1所示,在相同的时效时间下,随着固溶温度的升高,合金中初生α相的含量逐渐减小晶粒尺寸逐渐增大,β相含量增加。初生α相产生这种形态上的变化,是由于随着固溶温度逐渐升高接近相变点过程中,合金中α相的热力学稳定含量逐渐减少。对比950℃和970℃两个固溶温度可以发现,分布在β基体相上的α相大部分溶解,晶界变得更加清晰,晶界周围的初生α相为针状形貌,并沿着晶界呈60°生长。
  当合金在1040℃固溶时效处理后(图1(c)),粗大的等轴球状初生αp相消失,出现粗大的原始β晶粒在原始β晶界上有连续的α相细长的薄片状α相在原始β晶界及晶粒内析出且部分片状α互相平行组成集束,与晶界成一定夹角。当合金中的等状初生相αp变粗大时,β基体与初生αp相之间的相界面减少,相界面作为缺陷对位错运动的阻碍作用减弱,使得位错塞积减少,从而使合金的强度下降,伸长率升高;然而,随着二次相αs增多变得细小而弥散,两相之间的界面增多,造成第二相强化效应增强,从而使合金的强度上升,伸长率下降。
  2.2 拉伸性能与热处理温度的关系
  图2给出两相区固溶-时效对TC11钛合金挤压管坯力学性能的影响。由图2(a)可以看出,合金在950℃~970℃范围固溶温度下,并530℃内保温6h时效,可以获得抗拉强度Rm≥1030MPa,屈服强度Rp0.2≥910MPa,延伸率A≥8%,断面收缩率Z≥23%,满足TC11钛合金航空及兵器应用管力学使用性能要求。表明TC18合金挤压管在950℃~970℃范围固溶温度下,并530℃内保温6h时效,合金随着固溶温度的升高,强度逐渐升高,塑性略有降低,它们之间的强度及塑性的差异主要每种热处理制度组织里的初生α相的含量差异所致,然而所得到合金的力学性能均能满足研制应用管材力学性能。比较3种固溶温度下的合金的强度和塑性值,可以看出在970℃/30min固溶,530℃/6h时效,合金强度和塑性匹配性较好。从图2(b)中也能够看出在500℃高温拉伸性能也存在相同的规律。
  采用1040℃/30min,AC,+530℃/6h时效热处理后得到的力学性能,也可以满足航空及兵器应用管抗拉强度Rm≥1030MPa,屈服强度Rp0.2≥910MPa,延伸率A≥8%要求,性能的余量不大。但是断面收缩率不能满足Z≥23%要求,主要原因是在该温度下热处理形成的组织已是魏氏组织,尤其是断面收缩率远低于前三个热处理制度,这是由于其原始β晶粒比其它热处理制度粗大、而且存在网状晶界α的缘故[2]。
  3 结论
  (1)随着固溶温度的升高,合金中初生α相的含量逐渐减小晶粒尺寸逐渐增大,β相含量增加。当温度达到1040℃时出现粗大的原始β晶粒,在原始β晶界上有连续的α相细长的薄片状α相。
  (2)采用950-970℃/30min固溶/AC+合金530℃/6h/AC的力学性均能满足材料的要求。
  参考文献
  [1]邹武装.钛手册[Z].2012,ISBN978-7-122-14637-3.
  [2]张宝昌.有色金属及其热处理[Z].1993,ISBN978-7-8612-0452-8.
  *通信作者:代春,男,高级工程师。

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