北京航材院:热等静压工艺参数对TA15钛合金组织及性能的影响

   2023-08-17 IP属地 陕西18250

  导读

  TA15钛合金是我国自主研发的一种可在540℃下长时间服役的高铝当量的近α型合金,其名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V。该合金具有优良的抗蠕变性、耐腐蚀性以及焊接性能,被广泛用于制造各类飞机、发动机及导弹的结构件。粉末冶金热等静压技术可实现钛合金一体化成形,其细晶及无偏析特点可使制件获得优良的组织性能,避免熔炼浇注、开坯锻造等高能耗工序,通过近净成形可显著提高钛合金的利用率。

  关于TA15钛合金热等静压研究主要集中在两方面,一方面作为消除铸造TA15合金内部冶金缺陷的手段,研究不同热等静压状态下ZTA15合金性能及组织的变化规律;另一方面采用粉末冶金方法制备TA15合金,通过热等静压工艺成形TA15粉末钛合金,研究其组织演变规律及性能变化。目前,关于热等静压参数对组织及性能的系统性研究报道较少。

  本研究采用控制变量法对同一粒度范围的TA15钛合金粉末系统开展高温高压热等静压成形试验,选择不同热力耦合加载温度、保温时间和压力值,并通过对合金进行微观组织表征、平均晶粒尺寸的测定,得到温度、压力耦合作用对钛合金粉末微观组织演化及性能的影响,获得不同温度、压力以及保压时间条件下粉末钛合金显微组织演化规律及性能曲线,为航空用TA15合金热等静压成形件的开发提供参考。

图文内容

  采用原始球形雾化TA15钛合金粉末,具体成分见表1,球形度≥99%,采用碳钢包套,其尺寸为ϕ60mm×100mm,将粉末均匀填充于碳钢包套中,对圆柱形包套进行封焊,封焊加热温度为600℃,抽真空至10-3Pa。封焊后的包套于热等静压炉中进行压制试验,分别从温度、保压时间、压力3组参数开展试验研究:①温度设定为910、930和950℃,时间为180min,压力为130MPa;②压力设定为110、130和150MPa,温度为930℃,时间为180min;③时间设定为90、180和240min,温度为930℃,压力为130MPa。采用JSM-6630LV型扫描电镜对TA15合金微观组织形貌进行观测及表征,通过IPP软件对板条间距以及等轴α晶粒含量进行统计和分析,采用5887-E2-GE型力学试验机测试试样的力学性能,载荷大于500N,拉伸速率为0.45~4.5mm/min,试验结果取5个试样的平均值。

表1粉末TA15合金的化学成分(%)

图1不同温度下TA15合金的显微组织

图2 TA15合金板条间距、等轴α晶含量

及力学性能随温度的变化

图3不同保温时间下TA15合金的显微组织形貌

图4 TA15合金板条间距、等轴α晶粒含量

及力学性能随时间的变化

图5不同保压压力下TA15合金的显微组织

图6 TA15合金板条间距、等轴α晶粒含量

及力学性能随压力的变化

  研究结论

  (1)TA15合金的抗拉强度、屈服强度随炉内压力、保温时间与温度的增加均呈现先升高后降低的变化,而伸长率、断面收缩率随压力、时间的升高呈现先降低后升高的趋势,随温度先升高后降低。

  (2)当热等静压工艺为930℃×130 MPa×3h时,TA15合金为典型的网篮组织,板条间距与等轴α晶粒含量较低,TA15合金获得的压坯室温力学性能可达同质锻件水平,其抗拉强度平均值可达952.3MPa,伸长率均值可达17.1%,屈服强度为866.3MPa,断面收缩率为47.9%。


 
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