當(dāng)前所在位置：首頁(yè) >> 新聞資訊 >> 公司動(dòng)態(tài)

熱處理工藝對(duì)緊固件用高強(qiáng)鈦合金棒材的組織和性能的影響

發(fā)布時(shí)間：2023-11-16 07:26:09 瀏覽次數(shù) ：

緊同件用鈦合金可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為α+β鈦合金。常用的是美國(guó)Ti-6Al-4V、俄羅斯的BT16合金；另一種是β型鈦合金，常用的有我國(guó)的TB3、TB2-1、美國(guó)的βc和βIII。

由于TC4鈦合金抗托強(qiáng)度為1100MPa，剪切強(qiáng)度為655MPa，而且硬化能力有限，不適合制作更高強(qiáng)度或大直徑緊同件使用。BT16合金退火狀態(tài)下具有高塑性（δ=12％，ψ=50％)，同時(shí)保持了較高的強(qiáng)度(σ_b>815MPa)，但其強(qiáng)度和疲勞性能水平比Ti-6Al-4V、TB3要低一些。而采用β合金制造的冷鐓鉚釘性能優(yōu)良，但其螺栓的綜合水平要比兩相鈦合金的低。因此，研制更高強(qiáng)度鈦合金已成為緊同件的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制超高強(qiáng)高強(qiáng)度緊固件用鈦合金，Timetall25(Ti-6.0AI-6.2Mo-5.7Fe-2.7AI)替代鎳基或鐵基材料，如A-286、H-11或IN718合金。日本為了提高汽車(chē)的力學(xué)性能，采廂冷鐓性能好的Ti-16V-4Sn-3A1-3Nb。主要用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上。

鈦合金棒

Ti-26合金是西北有色金屬研究院研制的一種亞穩(wěn)B型緊同件用鈦合金，具有良好的冷、熱加工性能。同其他緊固件用鈦合金相比，其同溶處理后具有良好的冷鐓性能，并且固溶時(shí)效后性能可以達(dá)到σ_b≥1250MPa，δ₅≥10％，ψ≥30％，τ≥750MPa，可廣泛地用于螺栓、鉚釘?shù)鹊闹圃靃3]。

由于對(duì)該合金的熱加丁性能與加T后的組織形態(tài)研究較少[4-5]，本文主要通過(guò)對(duì)Ti-26合金棒材經(jīng)過(guò)一道次80％變形量的加工，研究了固溶時(shí)效對(duì)合金組織和性能的影響，并比較了其斷口形貌變化。以研究合金的熱變形特性，對(duì)該合金的加工工藝起指導(dǎo)作用。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

所用Ti-26合金原材料為2次真空自耗電弧爐熔煉的φ350mm鑄錠，屬Ti-V-Cr-Sn-A1-Nb-Zr系合金。將鑄錠在β相區(qū)經(jīng)過(guò)多次鍛造成φ38mm的棒材。之后在950℃將其在小型軋機(jī)上按一道次80％的變形量軋制。沿軋向取樣，采用金相法測(cè)試其相變點(diǎn)為(790±5)℃，再分別將試樣在760、790和820℃同溶1h后空冷至室溫，隨后在460、490、510和530℃時(shí)效10h。

試樣熱處理后立即空冷。對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光，制作金相試樣。采用奧林巴斯PMG3臥式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織分析(OM)；JSM．6460型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。JEM．200GX型透射電鏡(TEM)進(jìn)行組織、結(jié)構(gòu)分析。拉伸試樣在Instron-1251萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 固溶態(tài)與時(shí)效態(tài)顯微組織

不同溫度固溶處理1h后的組織如圖1所示。可以看出，760℃固溶處理后再結(jié)晶不完全，β晶粒大小不一，見(jiàn)圖1(a)；790℃固溶后的組織均勻，見(jiàn)圖l(b)，平均晶粒尺寸為40μm，比820℃固溶處理的要細(xì)小，見(jiàn)圖l(c)。一般來(lái)說(shuō)，β合金再結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)晶界演變的過(guò)程。即彎曲的晶界逐漸平直化的過(guò)程。β合金再結(jié)晶完成后，可以得到細(xì)小等軸的晶粒。從熱力學(xué)角度看，晶粒長(zhǎng)大，總的是晶界面積減少，能量降低的一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。所以若繼續(xù)升高加熱溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間。將會(huì)引起晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大[6]。

圖2為T(mén)i-26合金經(jīng)80％變形后再經(jīng)790℃×1h同溶后、不同溫度時(shí)效10h后的顯微組織。鈦合金的晶粒度是由棒材的加工過(guò)程、變形量、固溶溫度和固溶時(shí)間決定的，而與時(shí)效溫度和時(shí)間沒(méi)有關(guān)聯(lián)。時(shí)效只決定析出相的種類(lèi)和析出相的數(shù)量。所以圖2所示β晶粒度一致，并隨時(shí)效溫度的升高，析出α相逐漸增多，升溫至530℃時(shí)，相同的時(shí)效時(shí)間內(nèi)析出的α相數(shù)量最多，已經(jīng)遍布整個(gè)基體。

圖3為合金不同溫度時(shí)效后的TEM形貌。可看出。合金經(jīng)460℃時(shí)效后析出的針狀僅相以120°夾角交錯(cuò)析出，并隨時(shí)效溫度的升高沿徑向和法向生長(zhǎng)，逐漸變粗變長(zhǎng)，見(jiàn)圖3(b)、(c)。圃溶體中沉淀出的第二相，其形態(tài)除與自身的表面張力、相變動(dòng)力學(xué)等有關(guān)外，還與第二相存在的位置有關(guān)。TEM圖中α相與母相β晶粒形成非共格界面，α相的形態(tài)取決于界面張力，如圖4所示。在平衡狀態(tài)下表面張力相等，即其值取決于α相沉淀后的形狀。

γ_ββ=2γ_αβcos(δ/2)

式中：γ_ββ為母相晶界上的界面張力；γ_αβ為母相與新相的界面張力；δ為二面角(或濕潤(rùn)角)。

α相沉淀后的δ=120°，所以處于完全不濕潤(rùn)狀態(tài)和全濕潤(rùn)狀態(tài)的中間，即中間狀態(tài)。

2.2拉伸性能分析

圖5為T(mén)i-26合金同溶后的托伸性能。可看出，合金經(jīng)790℃×1h固溶處理后，在保證抗拉強(qiáng)度的情況下，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率都較為理想，即抗拉強(qiáng)度為825MPa。伸長(zhǎng)率為22％，面縮為56％。所以確定790℃×1h為最佳固溶工藝。同溶后的合金具有良好的塑性．有利于變形。同時(shí)結(jié)合金相組織照片，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸與性能之間符合Hall—Perch公式。

該合金經(jīng)不同溫度時(shí)效處理后的力學(xué)性能見(jiàn)圖6。可看出，隨時(shí)效溫度升高，強(qiáng)度下降，塑性提高。在460℃時(shí)效時(shí)，σ_b約為1500MPa，δ=6%，ψ≥10％；在530℃時(shí)效時(shí)，抗拉強(qiáng)度降為1100MPa，比固溶后的強(qiáng)度要高，面縮率為45％左右。原因在于，β鈦合金中最具有強(qiáng)化效應(yīng)的是α相。析出α相高的強(qiáng)化效應(yīng)賦予了β鈦合金最佳的比強(qiáng)度。α相的尺寸及體積比決定了時(shí)效后的最佳性能同。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合理的時(shí)效溫度，以節(jié)約資源，滿(mǎn)足需要。

2.3 斷裂特征

圖7為T(mén)i-26合金的斷口組織形貌。一般來(lái)說(shuō)。材料斷口處韌窩的深度主要受材料塑性變形能力的影響。材料的塑性變形能力大，韌窩深度大，反之韌窩深度小。圖7(a)、(c)為合金在同溶后的斷口形貌，有明顯的“頸縮”，其屬于韌性斷口，纖維區(qū)所占比例較大，有均勻分布的韌窩。圖7(b)、(d)為合金的時(shí)效態(tài)斷口，纖維區(qū)所占比例減小，韌窩較淺。斷口分析進(jìn)一步說(shuō)明，析出的僅相降低了合金的塑性．其中伸長(zhǎng)率受到的影響最大。