引言
鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性能好、無磁性等特點,用其生產的緊固件在飛機上使用不僅可以達到減重、耐腐蝕的目的,而且是鈦合金、碳纖維復合材料等結構件必須的連接件,因此成為現代航空航天工業中非常有前途的金屬結構材料。TC16鈦合金屬于TiＧAlＧMoＧV系α＋β型高強鈦合金,該合金主要在熱處理強化狀態下使用,本文將分析研究其在鈦棒材生產過程中熱處理強化工藝參數的確定。
1、熱處理試驗
1.1材料
試驗材料選用Φ6mm棒材,通過金相分析法測得試驗鑄錠的相變點為860℃~865℃,棒材鍛態組織如圖1所示。
1.2熱處理工藝及結果
本試驗依據標準GJB3763A—2004《鈦及鈦合金熱處理》制定了TC16成品棒材相應的熱處理試驗工藝,見表1。
從表1中可以看出:本試驗制定了4份退火工藝,共2類(普通退火、雙重退火),根據鈦及鈦合金緊固件力學性能測試取樣要求,每份工藝試樣為5組。
對根據表1熱處理工藝熱處理后的試樣進行了力學性能及工藝性能的測試,其結果如表2所示。
由表2可知:780℃保溫2h后空冷的熱處理工藝中,所測試的5組力學性能中有3組抗拉強度Rm不能滿足產品性能要求,且在測試冷頂鍛工藝性能時,均產生開裂;780℃保溫2h隨爐冷至550℃后空冷的熱處理工藝中有3組斷面收縮率Z低于產品性能要求;另外的兩份退火工藝中,其力學性能均滿足要求。
對比滿足要求的兩份退火工藝,雙重退火的Rm值平均高76MPa,Z值較穩定且略高1％,冷頂鍛工藝性能均合格。因此,從力學性能是否能夠滿足要求的角度來看:我們可以選擇出780℃保溫2h,爐冷至500℃后空冷熱處理工藝及780℃保溫2h,空冷,再在630℃保溫4h,空冷的熱處理工藝較適合產品要求。
2、試驗結果分析
TC16棒材各種退火狀態下的顯微組織如圖2所示。
眾所周知,α＋β兩相合金和亞穩定β型鈦合金退火時除再結晶過程外還可能發生與相變有關的組織性能的變化,TC16這種β穩定元素含量較高的鈦合金的顯微組織一般都呈多邊形化。另外,經過熱變形后的兩相鈦合金,不僅發生回復和再結晶,還存在亞穩定β相的分解。退火鈦合金的綜合機械性能的好壞很大程度上取決于多邊形和亞穩定β相的分解哪一個先發生,多邊形化先發生是所希望的。在圖2中,我們可以發現α相完全多邊形化了,這樣可以推斷TC16鈦合金在780℃退火時首先發生的是多邊形化。
觀察圖2(a)~圖2(d)顯微組織,可以發現在相同的退火溫度下保溫相同的時間后,僅僅是由于熱處理工藝中的冷卻方式發生變化,而導致4種熱處理工藝下的顯微組織產生了不同之處;比較4種金相圖發現,圖2(c)、圖2(d)的α相含量較圖2(a)、圖2(b)的金相組織中α相含量多,同時可以注意到,圖2(d)中的α相和β相分布更加彌散。結合表2可知:采用隨爐冷卻到一定溫度后再空冷的冷卻方式,材料力學性能的穩定性較好。這一現象與相關資料研究得到的結論相吻合,以2℃/min~4℃/min的速度爐冷時,可以得到相當穩定的α＋β組織。至于各工藝之間機械性能存在高低不等的差異,這與其他的兩相合金一樣,在冷卻方式發生變化后,TC16鈦合金中α相和β相的分布比例會產生變化,從而引起材料機械性能的變化。
TC16鈦合金棒在靠近“臨界溫度”780℃的溫度下即780℃退火后空冷時,強度特性較高(見表2),且塑性特性仍然能夠保持很高,這主要是空冷并不能使亞穩定β相固定下來,這些亞穩定β相發生了部分的分解。對比圖2中的4種顯微組織,還可以發現TC16鈦合金的退火組織是α相和β相的混合組織,在兩相區靠近Ac3點時(Ac3點為α相轉變為β相的開始溫度,TC16鈦合金的Ac3點是800℃)晶粒實際上是不長大的。
雙重退火的第一階段中組織及相組成的特點如上所述,在空冷過程中沒有分解的亞穩定β相在第二階段繼續并完全分解,亞穩定β相的分解方式可以簡單地表示為:
β亞穩定→β亞穩定＋α→β＋α。這個過程在電子金相研究中可以被觀察到,最終的顯微組織如圖2(d)
所示,具有更加彌散的α相組織且其含量遠遠高于β相的含量。在表2中,雙重退火狀態下的強度較之其他幾種退火狀態下的要高些,這是與亞穩定β相的分解彌散強化相關的;雙重退火狀態下的塑性也比較高,這與α相含量有相當的關系,因此可以解釋在兩種退火狀態下的冷頂鍛試驗中,空冷方式全部開裂而雙重退火狀態下全部合格的測試結果。
3、結論
(1)780℃保溫2h后以2℃/min~4℃/min的速度爐冷至400℃~500℃,然后在空氣中冷卻,可保證最大的塑性和最小的強度。
(2)780℃保溫2h后在空氣中冷卻,再在630℃保溫4h,空冷,即可保證最大的塑性和也可具有相當高的強度。
(3)雙重退火可使亞穩定β相的分解產生彌散強,冷頂鍛測試性能全部合格。
參考文獻:
[1]王金友,葛志明,周彥邦．航空用鈦合金[M]．上海:上海科學出版社,1885．
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