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低成本TC4鈦合金板材在變形及退火過(guò)程中組織和性能的變化規(guī)律
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低成本TC4鈦合金板材在變形及退火過(guò)程中組織和性能的變化規(guī)律

發(fā)布時(shí)間 :2023-12-05 16:40:01 瀏覽次數(shù) :

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、無(wú)磁性等優(yōu)異的性能,作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料在航空、航天、化工、艦船、汽車、兵器、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,鈦合金較高的成本限制了其應(yīng)用范圍。因此,低成本鈦合金的研發(fā)以及鈦合金的低成本化制備技術(shù)仍然是當(dāng)前最重要的研究熱點(diǎn)[1-4]。降低原料成本、縮短加工流程是降低鈦合金成本的有效途徑。在鈦合金生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的返回料,其成本只有海綿鈦成本的三分之一。利用電子束冷床爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空自耗電弧熔煉,可添加50%以上的返回料,能顯著降低原料成本。此外,電子束冷床熔煉可生產(chǎn)扁錠,扁錠可直接進(jìn)行軋制,省去了圓錠開(kāi)坯、鍛造等工序,最大限度縮短生產(chǎn)流程,降低消耗,節(jié)約成本[5]。電子束冷床爐單次熔煉Ti-6Al-4V鈦合金(國(guó)內(nèi)牌號(hào)TC4)鑄錠直接軋制的板材有望在航空、兵器等領(lǐng)域獲 得應(yīng)用[6]。美國(guó)率先針對(duì)電子束冷床爐單次熔煉技術(shù)開(kāi)展研究,利用Ti-6Al-4V鈦合金鑄錠軋制了76.2mm、50.8mm、25.4mm和12.7mm的板材。經(jīng)測(cè)試,板材的拉伸性能均超過(guò)航空標(biāo)準(zhǔn)的最低要求,有望在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼折起支座及翼肋上獲得應(yīng)用[7]。針對(duì)電子束冷床爐熔煉鑄錠制備的板材,美國(guó)于2010年制定了相應(yīng)的板材標(biāo)準(zhǔn)AMS6945A{Titanium Alloy,Single Melt,Sheet,Strip,and Plate 6Al_4VAnnealed)),并在2014年進(jìn)行了修訂。在國(guó)內(nèi),寶鈦集團(tuán)利用從德國(guó)ALD公司引進(jìn)的2400 kw電子束冷床爐單次熔煉TC4鈦合金扁錠,直接軋制成8mm厚板材[8-9],板材室溫力學(xué)性能及抗彈性能滿足國(guó)標(biāo)及使用要求,已獲得應(yīng)用。

本文研究電子束冷床熔煉爐(Electron Beam Cold Hearth Melting,EBCHM)熔煉TC4鈦合金扁錠直接軋制板材在變形及退火過(guò)程中的顯微組織和力學(xué)性能,力圖揭示板材顯微組織的演化規(guī)律及其室 溫力學(xué)性能的變化規(guī)律,得到板材強(qiáng)度與塑性最佳匹配的退火工藝,旨在為該合金板材的低成本工業(yè)化批量生產(chǎn)提供參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

利用海綿鈦、鈦合金返回料等原料在電子束冷床爐上熔煉出270mm×1085mm×5000mm規(guī)格TC4鈦合金扁錠,其化學(xué)成分符合GB/T 3620.1—2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)要求,金 相法測(cè)得其β轉(zhuǎn)變溫度為974℃。鑄錠經(jīng)機(jī)加工處理后,在1200mm四輥可逆式熱軋機(jī)上在相變點(diǎn)以下20~50℃采用交叉換向工藝多火次軋制成8mm厚板材,按(720~950)℃×1h空冷工藝進(jìn)行 退火。對(duì)鑄錠至板材變形過(guò)程中以及退火后板材的顯微組織和室溫力學(xué)性能進(jìn)行分析測(cè)試,并優(yōu)選出顯微組織和力學(xué)性能匹配最佳的熱處理工藝。室溫力學(xué)性能測(cè)試按照GB/T 228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在CMT 5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,金相觀察分析在Axiovert 200MAT金相顯微鏡下進(jìn)行。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 變形過(guò)程中板材的組織與性能

圖1為經(jīng)不同火次變形后TC4鈦合金板材的顯微組織照片。由圖1(a)可見(jiàn)電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠晶粒粗大,晶內(nèi)為樹(shù)枝晶組織。經(jīng)一火變形后,鑄態(tài)的樹(shù)枝晶組織被破碎,形成柱狀組織,見(jiàn)圖1(b)。經(jīng)兩火變形后,粗大的晶粒破碎為細(xì)小晶粒,柱狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或長(zhǎng)條狀組織,并且沿軋制方向被壓扁或拉長(zhǎng),見(jiàn)圖1(c)。魏壽庸等人[10]在Ti-6Al-2Zr-2V-1.5Mo鈦合金板材變形過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)有類似現(xiàn)象。經(jīng)三火變形后獲得成品板材,晶粒進(jìn)一步細(xì)化,長(zhǎng)條狀組織更多轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀α+β轉(zhuǎn)變組織,見(jiàn)圖1(d)。變形過(guò)程中晶粒的細(xì)化和組織的演變與其室溫力學(xué)性能的高低密切相關(guān)。

t1.jpg

表1所示為經(jīng)不同火次變形后板材的室溫力學(xué)性能。由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn),經(jīng)過(guò)軋制變形后,板材的室溫拉伸強(qiáng)度和塑性均呈增大趨勢(shì)。與TC4鈦合金鑄錠的力學(xué)性能相比,不同火次軋制變形后板材的強(qiáng)度和塑性得到明顯的提高。這是因?yàn)榻M織決定性能,細(xì)小的等軸組織可以獲得較高的強(qiáng)度和塑性。金屬變形時(shí)的強(qiáng)度和塑性與位錯(cuò)滑移長(zhǎng)度有關(guān),位錯(cuò)滑移長(zhǎng)度越短,強(qiáng)度和塑性越高。等軸組織的位 錯(cuò)滑移長(zhǎng)度是由等軸組織中初生α相的含量決定的,等軸α相越多,晶粒越細(xì)小,位錯(cuò)滑移長(zhǎng)度越短,產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積越少,具有更好的強(qiáng)度和塑性。在軋制變形過(guò)程中,變形充分能使更多的滑移系的位錯(cuò)源啟動(dòng),產(chǎn)生相應(yīng)的滑移,也有利于初生α相的球化;此外,變形程度越大,因受流動(dòng)應(yīng)力被破碎的棒狀α數(shù)量越多,可為再結(jié)晶提供更多的形核機(jī)會(huì)。表l中板材的室溫力學(xué)性能的變化規(guī)律與圖1 中顯微組織的演化規(guī)律相吻合。

b1.jpg

2.2退火處理后板材的組織與性能

圖2為板材經(jīng)(720~950)℃×1h+AC退火后的顯微組織。從圖2中可以看出,當(dāng)退火溫度較低時(shí)(720~820℃),顯微組織無(wú)明顯變化,以長(zhǎng)條狀或等軸狀α+β轉(zhuǎn)變組織為主,晶粒尺寸大小和形態(tài)十分相似,見(jiàn)圖2(a)~(d)。文獻(xiàn)[10-11]也發(fā)現(xiàn)低溫退火時(shí)的組織與軋制態(tài)組織相似。退火溫度升高到820℃以上,板材的顯微組織較低溫時(shí)發(fā)生了明顯變化,表現(xiàn)為等軸初生α相含量開(kāi)始逐漸減少、尺寸逐漸增大,晶粒向等軸化轉(zhuǎn)變,而β轉(zhuǎn)變組織的含量逐漸增多(見(jiàn)圖2(e)、(f)),并且有片狀次生α相從β轉(zhuǎn)變組織中析出(見(jiàn)圖2(f)、(g))。

t2.jpg

鈦合金在熱處理時(shí)顯微組織的變化將導(dǎo)致其室溫力學(xué)性能的變化[12-15]。圖3所示為經(jīng)(720~950)℃×1 h+AC退火處理后板材的室溫力學(xué)性能,不同溫度退火后板材的室溫力學(xué)性能均滿足GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)要求(Rm≥2895 MPa,Rp0.2≥830 MPa,A>≥10%)。由圖3可以看出,隨著退火溫度從720℃升高到950℃,板材的室溫抗拉強(qiáng)度尺。呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì),在820℃達(dá)到最大值,規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度尺Rp0.2和斷面收縮率Z總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而伸長(zhǎng)率彳則變化不大。這是由于在室溫下合金的抗拉強(qiáng)度隨著等軸組織的變化而變化,合金中等軸組織含量高,其抗拉強(qiáng)度也高[16];當(dāng)退火溫度逐漸升高至820℃時(shí),合金中等軸α相的含量最多,因此其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值;隨著退火溫度的繼續(xù)升高,合金中等軸α相的含量逐漸減少,其抗拉強(qiáng)度逐漸下降。雖然隨著退火溫度的升高,合金中析出片狀次生α相,抗拉強(qiáng)度會(huì)增大,但由于溫度較高,合金中等軸α相的含量減少比較明顯,且晶粒進(jìn)一步粗化(見(jiàn)圖2(g)),使合金的抗拉強(qiáng)度明顯降低。

由圖3還可看出,經(jīng)(750"--820)℃×l h+AC退火處理后,雖然板材的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2和斷面收縮率Z略有下降,但變化幅度不大。綜合考慮,在該溫度范圍內(nèi)退火處理的TC4鈦合金板材可獲得強(qiáng)度與塑性的最佳匹配,在工業(yè)化批量生產(chǎn)時(shí)推薦采用該熱處理工藝。

t3.jpg

3、結(jié)論

(1)隨著軋制變形火次的增加,電子束冷床爐熔煉的TC4鈦合金扁錠粗大的鑄態(tài)晶粒被破碎,枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或長(zhǎng)條狀α+β轉(zhuǎn)變組織,板材的室溫力學(xué)性能顯著提高。

(2)TC4鈦合金板材退火后,組織更加均勻等軸化,隨著溫度的升高,析出片狀次生α相,初生α含量減少;板材的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度和斷面收縮率總體呈現(xiàn) 下降趨勢(shì),而伸長(zhǎng)率則變化不大。

(3)經(jīng)(750~820)℃xl h+AC退火處理后,TC4鈦合金板材可獲得強(qiáng)度與塑性的最佳匹配。

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