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准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织和性能的影响

飞机构件50% 以上的疲劳失效来自于结构件制造和使用过程中(腐蚀和外来物损伤)产生的缺陷。因此,飞机构件的设计理念由安全寿命准则向损伤容限耐久性准则转变。Ti-6Al-4V ELI 就是在此理念上研制出的一种新型钛合金。它是在Ti-6Al-4V 基础上开发的中强损伤容限、低间隙钛合金,其成分特征为合金允许波动范围较窄(Al:5.5% ~ 6.5%),杂质允许含量较低(Fe:0.25%max、O:0.13%max、H:0.0125%max), 性能特征为冶金缺陷小,高的塑性、韧性、较好的焊接性能及较长的使用寿命,抗拉强度在800 ~ 1000MPa之间,断裂韧性超过90MPa·m1/2。美国第4 代战机F-22、F/A-18E/F,Ti-6Al-4V ELI 的使用已经进入成熟阶段。F-22 钛合金用量高达41%,其中Ti-6Al-4V 锻件占25.6%,Ti-6Al-4V ELI 锻件又占73%。

因此,我国也自主研发了同类型钛合金TC4-DT,并通过锻造大量使用于飞机结构件上。锻件组织性能的均匀性主要由锻件的高倍组织、低倍组织、力学性能、无损探伤等检测手段来表现,但是由于TC4-DT 研发时间短暂,锻件经锻造后的热处理工艺对组织性能均匀性的影响尚未研究透彻,更未形成良好的技术基础,因此本文研究了锻造后不同的准β热处理工艺对组织性能均匀性的影响。

试验方法及过程

原材料

原材料采用真空自耗电弧炉熔炼的规格为φ 300的TC4-DT 棒材,在棒材头部取试样分析化学成分,结果见表1,使用金相法测相变点得974℃。将棒材切为5 段相同的长度,分别标记为1#,2#,3#,4#,5#。

锻造

在Tβ-30 ℃ 保温240min 后, 使用1600t 水压机进行两镦两拔的锻造过程,每道次变形量均为40%。

热处理

锻造完成后,采用准β 热处理工艺,具体为:

1#:Tβ-30℃ ×120min,35min 升至Tβ+15℃,Tβ+15℃ ×30min,AC;

2#:Tβ-30℃ ×120min,35min 升至Tβ+15℃,Tβ+15℃ ×40min,AC;

3#:Tβ-30℃ ×120min,35min 升至Tβ+15℃,Tβ+15℃ ×50min,AC;

4#:Tβ-30℃ ×120min,35min 升至Tβ+15℃,Tβ+15℃ ×60min,AC;

5#:Tβ-30℃ ×120min,35min 升至Tβ+15℃,Tβ+15℃ ×70min,AC。

理化测试

对经过不同热处理工艺处理的5 个试样分别进行全面的解剖测试,取样图如图1 所示。测试内容为:高、低倍,室温拉伸,断裂韧性。

试验结果及讨论

低倍组织

图2 为在Tβ+15℃下,经过不同的保温时间,1# ~ 5# 试样的低倍组织。从图中可以看出,随着保温时间的延长,试样的大晶粒区域面积逐渐增大(图中圆圈内),1# 试样约1/9 视野,2# 试样粗晶部分面积约1/5,3# 试样粗晶部分面积约1/4,4#试样粗晶部分面积约1/3,5# 试样粗晶部分面积约1/2,各个试样晶粒均由中心向四边逐渐变细,没有明显的边界;且随着保温时间的延长,心部晶粒依次增大。这说明随着保温时间的延长,晶粒长大后的稳定性逐渐增强。在同等条件下,保温时间长的晶粒稳定性高,造成试样心部粗晶区域大。另外,在冷却过程中,锻件心部过冷度小,造成心部晶粒形核位置少,晶粒大。

高倍组织

图3 为不同保温时间下的显微组织图,从图中可以看出:1# 出现未完全溶解的初生α 相,说明两相组织未转化完全,晶粒小,片层组织较为短而宽,说明保温时间过短。2# 组织均为网篮组织,没有初生α 相,相较于1# 板条细长,晶粒较粗,说明保温时间较为合理。3# 组织均为网篮组织,晶粒粗大,晶界明显,片层组织细长。4# 晶粒粗大,片层比3# 更加细长,有向并列组织发展的趋势,保温时间到极限。5# 为并列组织,片层几乎穿透整个晶粒,晶界平滑整齐。

力学性能

图4 为不同保温时间下抗拉强度和屈服强度对比图,从图中可以看出,保温时间越长,抗拉强度和屈服强度越高。图5 为不同保温时间下拉伸试样断后伸长率和断面收缩率对比图,从图5 可以看出:随着保温时间的延长,断后伸长率和断面收缩率逐渐降低,这说明塑性逐渐变差。这与显微组织是相对应的,两相组织强度低、塑性高,并列组织强度高、塑性差。

图6 表明,随着保温时间的延长,断裂韧性值呈上升趋势。这是由于网篮组织和并列组织的微裂纹形核位置主要位于α/β 界面、束域边界或晶粒边界,断裂方式为沿晶断裂或穿晶断裂。裂纹扩展时主要沿着消耗扩展功最少的路径和方式进行,裂纹在晶粒边界、集束边界发生偏转,以及在α/β 界面发生停止和偏移,使裂纹长度增加,因此网篮组织和并列组织均获得很高的断裂韧性。同时,α 片层的长度和宽度对断裂韧性的高低也有影响。α 片层长且薄,合金中片层间产生的微裂纹多,裂纹扩展过程中路径改变的越多,路径越长,需要的能量就越多,断裂韧性就越高。

结论

⑴ TC4-DT 合金在Tβ+15℃下处理,随着保温时间的延长,粗晶区域由心部向外扩展,且中心层的组织较表层粗大。

⑵本试验所用规格(H=100mm)的TC4-DT 试料,相变点以上保温50min获得了良好的组织及性能结果,即TC4-DT 合金适宜的保温系数为0.5min/mm。

⑶经过在Tβ+15℃下处理后,TC4-DT 合金得到的网篮组织和并列组织均具有良好的断裂韧性,但是大晶粒,长片层的并列组织的断裂韧性更优。

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