关键词:β热处理;α相域;组织;性能
1 前言
TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金其主要的强化机制是通过添加α稳定元素Al固溶强化,加入中性元素Zr和β稳定元素Mo、V进行补充强化并改善工艺性能。该合金最初以薄板形式作为航空发动机机匣而获得应用。由于使用条件要求,当初在生产板材时,β稳定元素Mo、V的加入量较少,合金板材实际Mo当量控制在较低的水平([Mo]≤2.46)。因此,该合金的主要热处理形式为退火。随着该合金使用范围的扩大,生产的品种也由薄板扩展到厚板、锻件、棒材和模锻件,特别是该合金被采用制作飞机大截面构件后,为了保证该合金具有足够的强度,提高了合金的Al、Mo当量,使其达到标准上限的水平,这样使得生产该合金大截面构件的材料实际的Mo当量大大超过2.46的水平,甚至达到了3以上,超过TC4(Ti-6AI-4V)钛合金的Mo当量水平,成为α+β型两相钛合金。在两相钛合金中,随着β稳定元素含量的增加,热处理制度对合金的组织、性能的影响变得较大[1]。本文主要通过对两种不同的组织经相变点以上不同热处理,分析对应的组织及性能,其研究结果可为该合金的使用及进一步进行中强损伤研究提供参考。
2 试验用料及方案
试验用料采用真空自耗两次熔炼,其主要化学成分为:Al 6.6%,Zr 2.2%,Mo 1.7%,V 2.2%,其余为Ti,对应Mo当量为:3.27,α+β/β转变温度为980~990℃,铸锭在β区开坯,然后经1200mm轧机由不同加工工艺轧制为等轴组织、网篮组织两种不同组织的50mm厚的板材(其对应800℃退火组织及性能如图2.1和表2.1所示),切取试样,分别于1000℃、1020℃、1050℃加热保温1小时,按水冷、空冷、炉冷3种冷却方式冷却,最后测试组织、性能。
3 试验结果与分析
3.1 β热处理对TA15钛合金组织的影响
综观两种不同组织形貌(见图2.1)的板材,在所选取的9种热处理制度下,其组织表现为大致相同的变化规律,并没有因为来料组织的不同而表现出差异。其主要原因是:退火温度升高到1000℃、1020℃、1050℃,处于β相区,组织发生了相变,原始α相全部转变为β相,随着温度的下降,相同的冷却方式,都经历相同的组织变化过程,即单一的β相组织析出集束状次生α相→次生α相长大过程。次生α相以集束状析出,并进一步形成相邻近区域以相同的方向析出的次生α相域,α相域中的α集束粗细与集束的时间长短有关,温度较高,冷却速度较慢,对应集束时间较长,α集束就较粗大,α相域边界也变厚。水冷时,由于β相在快冷时来不及通过扩散转变成平衡的α相,只有通过β相中原子作集体有规律的近程迁移,发生切变相变形成α稳定元素过饱和固溶体,即α'相,所以其显微组织为α'+β细晶组织[2];空冷时所得显微组织是魏氏组织,冷却速度较慢,α'相转变为较粗的集束状,相邻区域α集束析出方向相同,形成α相域;炉冷时,试样冷却速度更慢,在高温停留时间长,多型转变进行的很充分,所有的α相均变得粗大,α相域间形成较明显的晶界,属于典型的粗晶状魏氏组织。
3.2 β热处理对TA15钛合金性能的影响
不同的原始组织,经过相变点以上β热处理,其变化规律大致相同,即:对应不同的温度,随冷却速度的减慢(WQ 用料在1000℃、1020℃对应的断裂韧性指标进行测试的结果。
在相变点以上温度热处理,温度的影响变得次要。较慢的冷却速度,对应断裂韧性较高,同表2.1中对应断裂韧性数值相比升高40~67%,而且在进行断裂韧性的测试过程中,对应水冷,难以获得测试需要的初始裂纹(图中对应水冷组织断裂韧性指标,仅供参考,并不能反应材料的实际断裂韧性),对照其组织形貌,从而反映出水冷组织抗裂纹生成和开始断裂的强度较高,炉冷组织抗裂纹扩展和断裂发展的强度较高[3]。
4 结论
4.1 在相变点以上热处理,组织发生相变,冷却后均为"β转组织";不同的冷却速度对应集束粗细不同水冷时组织表现为(针状α'+β)组织,空冷组织为(α相域+β)组织,炉冷组织为典型的α+β魏氏组织,α相域有较厚的α晶界包围;
4.2 在相变点以上热处理,对应性能,较快的冷却速度对应强度较高,冲击、断裂韧性较低,塑性较差,随着冷却速度的减慢,强度相对降低,塑性、冲击及断裂韧性明显增加。
参考文献
[1] 李青云等.稀有金属加工手册,北京,冶金工业出版社,1985:74
[2] 《加热温度及冷却速度对TA15钛合金组织性能的影响》,王永强等,金属学报,2002:87~88
[3] Ning X L, Wang G H. Translated from "Semi-finished product of titanium alloy", Rare metal Materials and Engineering prall,1996:23~47(宁兴龙,王国宏译文.钛合金半成品加工. 稀有金属材料与工程出版社.1996:23~47)
