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延時(shí)淬火對(duì)航天緊固件用TC4鈦合金組織和性能的影響
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延時(shí)淬火對(duì)航天緊固件用TC4鈦合金組織和性能的影響

發(fā)布時(shí)間 :2024-04-16 16:28:18 瀏覽次數(shù) :

鈦合金作為一種新興結(jié)構(gòu)材料,因其具有高的比強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐高溫性,被廣泛應(yīng)用于航空航天等高端工業(yè)領(lǐng)域[1]。近年來,隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的快速發(fā)展及航空航天制造技術(shù)水平的整體提升,對(duì)緊固件用鈦合金材料的需求量越來越大,鈦合金緊固件代替大部分比強(qiáng)度低的鋼制緊固件后,對(duì)飛行器的減重效果非常顯著,目前我國(guó)自主研發(fā)的鈦合金緊固件已在重要領(lǐng)域獲得了大量的工程應(yīng)用[2-3]。因此,強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的鈦合金緊固件在當(dāng)前形勢(shì)下有著巨大的市場(chǎng)空間[4]。

鈦合金絲

TC4鈦合金具有良好的力學(xué)性能和工藝性能,被廣泛用來制造各種航空航天用棒絲材,同時(shí)由于該材料具有高比強(qiáng)度和與復(fù)合材料電位特性相近的特點(diǎn),已經(jīng)逐步替代鋼材料和鎳基材料,在航空航天緊固件領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[5-6]。隨著TC4鈦合金加工緊固件用途的不斷拓寬,一些國(guó)內(nèi)外的航空公司對(duì)其提出了力學(xué)性能要求[7],而這一要求需采用固溶時(shí)效工藝來滿足,固溶時(shí)效處理可以提高合金的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能,從而發(fā)揮其綜合優(yōu)越性[8]。TC4鈦合金屬于典型的雙相熱強(qiáng)鈦合金,其力學(xué)性能在很大程度上取決于微觀組織,而TC4鈦合金的相結(jié)構(gòu)(α相、β相、α'相、α″相以及ω相)與微觀組織形貌隨著變形工藝和熱處理制度的改變而改變。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)緊固件用TC4鈦合金的研究主要側(cè)重于熱穩(wěn)定性能的研究[9]。

Patia等[10]采用不同固溶時(shí)效處理,得出淬火延遲時(shí)間從30s增加到70s,α相含量隨之增加,導(dǎo)致固溶處理后材料的強(qiáng)度和硬度降低[11]。

本文通過對(duì)航天緊固件用TC4鈦合金絲材進(jìn)行固溶時(shí)效處理[12],研究延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)固溶時(shí)效后組織與性能的影響規(guī)律,以期為特殊用飛機(jī)零件的生產(chǎn)提供組織和性能依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

采用φ5.1mm的TC4鈦合金絲材作為試驗(yàn)用料,該絲材經(jīng)真空自耗熔煉、開坯、三火鍛造、兩火軋制、拉絲制成,其鑄錠化學(xué)成分符合GB/T3620.1-2016《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分》的要求(見表1)。

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1.2試驗(yàn)方法

取φ5.1mm×300mm的試樣12支,其中6支進(jìn)行固溶+延時(shí)淬火處理(ST),剩余6支進(jìn)行固溶時(shí)效+延時(shí)淬火處理(STA)。固溶+延時(shí)淬火熱處理制度:

6支試樣于940℃裝爐,待爐溫升至940℃后保溫1h,取出后流水冷卻,延遲淬火時(shí)間分別為0(不延時(shí),出爐直接流水淬)、2、4、6、8、10s;固溶時(shí)效+延時(shí)淬火熱處理制度:6支試樣于940℃裝爐,待爐溫升至940℃保溫1h后,爐冷到540℃時(shí)效6h,取出后流水冷卻,延遲淬火時(shí)間分別為0、2、4、6、8、10s。

為防止試樣在熱處理過程中出現(xiàn)彎折,熱處理時(shí)需保持試樣水平置于爐內(nèi)耐火磚上。試樣熱處理后打磨拋光至表面無氧化層,在試樣不同位置取樣,分別進(jìn)行顯微組織、室溫拉伸、剪切性能檢測(cè)。顯微組織采用OLYMPICSPLAG3光學(xué)顯微鏡檢測(cè),拉伸和剪切試驗(yàn)采用INSTRON8985萬能試驗(yàn)機(jī),拉伸速率為0.4mm/min,最大試驗(yàn)力為250kN。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1延時(shí)淬火對(duì)顯微組織的影響

2.1.1固溶+延時(shí)淬火

TC4合金絲材固溶+延時(shí)淬火后的顯微組織如圖1所示。可以看出,由于固溶溫度稍低于相變點(diǎn)溫度,α相并沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵鋮s后組織中仍有初生α相。隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,顯微組織中初生α相含量逐漸減少,β轉(zhuǎn)逐漸增多,晶粒尺寸逐漸增大。延時(shí)淬火時(shí)間為0~6s(見圖1(a~d))時(shí),組織形態(tài)為等軸組織,由初生α相(占比約為90%)和α'相組成,未發(fā)現(xiàn)β轉(zhuǎn)組織,無次生α相析出;延時(shí)淬火時(shí)間為8s(見圖1(e))時(shí),β轉(zhuǎn)開始析出,組織形態(tài)為等軸組織,由初生α相(占比約為70%)和細(xì)β轉(zhuǎn)組成;延時(shí)淬火時(shí)間為10s(見圖1(f))時(shí),β轉(zhuǎn)明顯增多,初生α相含量急劇減少,組織形態(tài)介于等軸組織和雙態(tài)組織之間,由初生α相(占比約為50%)和粗β轉(zhuǎn)組成。

360截圖16290611118118142.jpg

2.1.2固溶時(shí)效+延時(shí)淬火

TC4合金絲材固溶時(shí)效處理+延時(shí)淬火后顯微組織如圖2所示。

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由圖2可以看出,隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,顯微組織中初生α相含量逐漸減少,β轉(zhuǎn)逐漸增多,晶粒尺寸逐漸增大。延時(shí)淬火時(shí)間為0~4s(見圖2(a~c))時(shí),組織形態(tài)為等軸組織,主要由細(xì)小的初生α相(占比約為50%)和時(shí)效α相組成;延時(shí)淬火時(shí)間為6s(見圖2(d))時(shí),晶粒尺寸異常增大,β轉(zhuǎn)開始析出次生α相,隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,β轉(zhuǎn)析出次生α相的數(shù)量增加,且次生α相寬度逐漸增大。

對(duì)比TC4合金絲材固溶+延時(shí)淬火和固溶時(shí)效+延時(shí)淬火后的顯微組織可以發(fā)現(xiàn),固溶時(shí)效后顯微組織中有較高含量的強(qiáng)化相,包括次生α相和時(shí)效α相,同時(shí)晶粒尺寸也更小。

2.2延時(shí)淬火對(duì)力學(xué)性能的影響

鈦合金的性能與其微觀組織形貌有著密不可分的聯(lián)系。延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)TC4合金絲材固溶和固溶時(shí)效后強(qiáng)度的影響如圖3所示,可以看出,固溶時(shí)效后材料強(qiáng)度明顯大于固溶后強(qiáng)度,這是因?yàn)闀r(shí)效過程中析出的過渡相(α'相、α″相和ω相)作為強(qiáng)化相會(huì)增加材料的強(qiáng)度。對(duì)于固溶和固溶時(shí)效態(tài),隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,強(qiáng)度值均呈現(xiàn)減小趨勢(shì),這是因?yàn)榇慊疬^程中發(fā)生了馬氏體相變,即同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,合金的塑性會(huì)有所升高,強(qiáng)度、硬度稍有降低。

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對(duì)比固溶和固溶時(shí)效在不同延時(shí)淬火時(shí)間下的強(qiáng)度值可以發(fā)現(xiàn),固溶時(shí)效+10s延時(shí)淬火后強(qiáng)度與固溶+0s(未延時(shí)淬火)后強(qiáng)度接近,由此可以推斷,在本試驗(yàn)條件下,延時(shí)淬火10s對(duì)強(qiáng)度的削減值基本等同于時(shí)效處理對(duì)強(qiáng)度的增加值。

延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)TC4合金絲材固溶和固溶時(shí)效后塑性的影響如圖4所示,可以看出,塑性變化規(guī)律與強(qiáng)度變化規(guī)律大致呈現(xiàn)反比關(guān)系,即固溶時(shí)效后材料塑性明顯小于固溶處理后塑性,隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,塑性均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

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延時(shí)淬火時(shí)間對(duì)TC4合金絲材固溶和固溶時(shí)效后韌性的影響如圖5所示,可以看出固溶時(shí)效后材料的韌性基本大于固溶后韌性。對(duì)于固溶和固溶時(shí)效,隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,韌性逐漸減小,這是因?yàn)殡S著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,即淬火前材料空冷的時(shí)間增加,片層狀的次生α相厚度在慢速冷卻過程中變大,形態(tài)由魏氏組織趨向于網(wǎng)籃組織,而裂紋在細(xì)片層狀組織中擴(kuò)展較困難,因此斷裂韌度更高。

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3、結(jié)論

1)隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,固溶和固溶時(shí)效后TC4鈦合金絲材顯微組織中初生α相含量逐漸減少,β轉(zhuǎn)逐漸增多,晶粒尺寸逐漸增大。

2)對(duì)比固溶+延時(shí)淬火和固溶時(shí)效+延時(shí)淬火后顯微組織可以發(fā)現(xiàn),固溶時(shí)效后TC4鈦合金絲材顯微組織中有較高含量的強(qiáng)化相,包括次生α相和時(shí)效α相,同時(shí)晶粒尺寸也更小。

3)固溶時(shí)效后材料強(qiáng)度和韌性大于固溶后,塑性小于固溶后。

4)隨著延時(shí)淬火時(shí)間的增加,強(qiáng)度和韌性均呈減小趨勢(shì),塑性值均呈增大趨勢(shì)。

5)在本試驗(yàn)條件下,延時(shí)淬火10s對(duì)強(qiáng)度的削減值基本等同于時(shí)效處理對(duì)強(qiáng)度的增加值。

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