不同退火溫度對航空航天領(lǐng)域用TA15鈦合金厚板組織與力學性能的影響分析

鈦合金具有眾多優(yōu)異的性能,例如高的比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、無磁等,經(jīng)過七十余年的發(fā)展,已經(jīng)成為三大輕金屬結(jié)構(gòu)材料之一。鈦合金材料可用來加工制作成各種類型的成形件,如板材、棒材、管材以及鍛件等,具有良好的加工性能[1-2]。

TA15鈦合金作為眾多牌號鈦合金的一種,屬于中高溫鈦合金,具有良好的耐高溫性能、耐腐蝕性能和高強度等優(yōu)點。TA15鈦合金屬于近α鈦合金,具有優(yōu)異的室溫性能,其450~500℃高溫性能高于TC4鈦合金,在飛機和航空發(fā)動機上有廣泛應用,主要用來制造飛機隔筐、壁板等工作溫度較高、受力較復雜的重要結(jié)構(gòu)零件。因此,TA15鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應用更加廣泛[3]。本文旨在研究通過確定相變點后,采用不同熱處理制度對熱軋成形的鈦合金厚板進行處理,觀察并分析其高倍組織的變化和性能的波動,以獲得最優(yōu)的處理方式。

1、實驗過程

1.1　實驗材料

實驗材料選取成分符合GJB2505A—2018[4]的鈦合金鑄錠進行生產(chǎn)實驗,經(jīng)鍛造成形的TA15(Ti-6.7Al-1.8Mo-2.2V-2.2Zr-0.13O)鈦合金板坯,其尺寸規(guī)格為230mm×1300mm×950mm,化學成分見表1。

表 1 TA15 鈦合金主元素的化學成分（%，質(zhì)量分數(shù)）

Table 1 Chemical compositions of main elements in TA15 titanium alloy（%，mass fraction）

實驗選用2800mm四輥可逆軋機,軋制力達到55000kN,確定最終生產(chǎn)規(guī)格為40mm×1700mm×3000mm的TA15鈦合金厚板。對最終軋制生產(chǎn)出的板材進行在線余溫多輥矯直并快速風冷至室溫。

1. 2　工藝方案

為了滿足降低材料成本和提高綜合性能的雙目 標, 最終確定采用多火次鐓拔鍛造來提高綜合性能, 并采用短流程軋制生產(chǎn)來降低材料成本。 將 3 t 鑄 錠進行中分切鍛造, 采用 4500 t 快鍛機 β 相區(qū) (加 熱溫度為 1050 ~ 1150 ℃ , 保溫 7 ~ 9 h) +兩相區(qū) (加熱溫度為 920 ~ 970 ℃ , 保溫 4 ~ 6 h) 多火次鐓 拔鍛造工藝, 保證鍛造比不小于 5 ~ 7, 最終加工至 (190~220) mm×900 mm +100 ×1400 mm +100 的待軋制 板坯后進行軋制生產(chǎn), 金相組織如圖 1 所示。 鈦合 金板材軋制工藝為: 一火加熱至 920 ~ 930 ℃ , 保溫 5~6 h 后進行開坯軋制, 進行 8 ~ 12 道次軋制后進 行回爐補溫 (920~930 ℃并保溫 2~3 h), 完成補溫 后進行換向軋制, 進行 3~ 6 道次軋制后再進行短保 溫換向, 軋制出最終成品板。 成品板經(jīng)過在線余溫 多輥矯直機的矯直后, 到達冷床進行風冷至室溫。

1.3　實驗方案

TA15鈦合通過于α穩(wěn)定元素Al進行固溶強化,屬于高Al當量的近α合金,它具有α合金所具備的良好的熱強性和可焊性。TA15鈦合金的相轉(zhuǎn)變溫度一般在980~1015℃左右,通常在退火態(tài)下使用,其退火態(tài)和TC4鈦合金相近,所以理論上存在TA15鈦合金熱處理強化的可能性。TA15鈦合金常用退火溫度為780~850℃,金相法測得板材相變點在996℃,為了探究短流程制備的TA15鈦合金性能區(qū)間,選取軋制態(tài)以及800、830、850、920和940℃/1h這6個熱處理制度進行對比實驗[5-6]。

2、結(jié)果與討論

2.1　熱處理板材金相組織對比

選取成品板線切割為40mm×100mm×100mm的試樣進行熱處理實驗,完成后進行金相與性能檢測。觀察不同退火溫度下的微觀組織形貌,如圖2所示。TA15鈦合金板材熱軋態(tài)的顯微組織由等軸狀α相、長條狀α相及少量的β組織組成。分析認為TA15鈦合金板材在兩相區(qū)軋制時,由于在高溫下長時間加熱,使得處于有利取向的晶粒迅速長大;在板材軋制時,板材上下表面受到強烈的剪切力,晶粒破碎較為充分,而位于板材中心的部位,受力狀況越接近于平面應力狀態(tài),受到的剪切力較小,因此,板材中心的晶粒不容易破碎,最終一部分中心區(qū)域的長條狀組織被保留下來,呈現(xiàn)出等軸狀α相和長條狀α相[7]。

經(jīng)過退火后的TA15鈦合金板材組織均呈現(xiàn)出典型的兩相區(qū)加工組織,原始β晶粒充分破碎,無連續(xù)的晶界α相存在。隨著板材經(jīng)過退火處理,組織發(fā)生回復,部分長條狀α相球化為等軸狀α相,組織呈現(xiàn)為球狀α相、少量的長條狀α相及β轉(zhuǎn)變組織。此外,隨著退火溫度的升高,初生α相向β相溶解,在隨后的空冷中β相發(fā)生多型性轉(zhuǎn)變,析出片層狀次生α組織,片層狀次生α組織累積形成α集束,殘余的β相位于次生α片層中間,α集束與殘余的β相形成β轉(zhuǎn)變組織。通過對照GJB2505A—2018[4]中TA15圖譜進行評級可以發(fā)現(xiàn),在800~940℃退火的板材組織中,評級呈現(xiàn)出3~8級的狀態(tài),均滿足GJB2505A—2018[4]中對于厚度為40mm的TA15鈦合金板材的微觀組織要求。

TA15鈦合金板材在較低溫度退火時,首先發(fā)生回復過程,表現(xiàn)為位錯減少,加工硬化效果減弱,隨著板材退火溫度的提高,長條狀α相發(fā)生“球化”,即再結(jié)晶;隨著退火溫度的進一步提高,微觀組織中初生α相向β相溶解,初生α相含量減少,在隨后的冷卻過程中β基體上析出片層狀次生α相[8]。

2.2　成品板材性能檢測對比

圖3a、圖3b為不同溫度下試樣的力學性能,可以更為直觀地看出在不同溫度下性能變化情況。

如表2所示,將完成熱處理后的6組試樣,參照GJB2505A—2018[4]進行力學性能檢測。室溫拉伸性能結(jié)果滿足標準要求,且伸長率和斷面收縮率提高的幅度很大;另外,在此基礎(chǔ)性能檢測之上加測了沖擊韌性和斷裂韌度,結(jié)果也表明板材在抵抗沖擊載荷時的能力和抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴展時的能力水平較高[9]。分析認為,隨著退火溫度的升高,再結(jié)晶程度進一步提升,當熱處理溫度來到830℃時,板材內(nèi)α組織進一步球化,等軸α相比例增加,板材的殘余應力進一步得到釋放,組織更加均勻。而等軸α組織比例增加,提升了材料的塑性,其與板材的微觀組織形貌也是一致的。室溫拉伸強度達到最高匹配值。此外,隨著退火溫度的提高,再結(jié)晶體積分數(shù)上升,降低了材料軋制過程中產(chǎn)生的加工硬化效果[10]。

表 2 鈦合金板材熱處理后力學性能對比 Table 2 Comparison of mechanical properties for titanium alloy plates after heat treatment

由表2可知,隨著退火溫度的提高,板材室溫沖擊和斷裂韌度性能基本上呈上升趨勢。分析認為:首先,這是由于更高溫度的退火使得材料發(fā)生了更充分的回復與再結(jié)晶,改善了材料內(nèi)部的缺陷和殘余應力,避免了裂紋的萌生;其次,更高溫度的退火形成了尺寸更大的α組織,對于裂紋的擴展起到阻礙作用,使得裂紋必須繞過α組織,增加了裂紋擴展的路徑,提升了材料的性能,故結(jié)果遠高于GJB2505A—2018的要求[11-12]。

2.3　成品板材超聲波檢驗

對TA15鈦合金板材采用接觸法進行雙面超聲波檢驗,板材儀器型號為USM100。探頭采用129FI×13,水作為探傷耦合劑,校準試樣采用Φ1.2mm的通孔直徑,檢驗結(jié)果如圖4所示。

圖4中橫向坐標代表厚度方向傳播距離,縱向坐標代表反射信號強度。板材探傷結(jié)果顯示:板材的噪聲水平在-20~-12dB內(nèi)波動,未發(fā)現(xiàn)超標缺陷反射波信號[13],滿足GJB2505A—2018[4]對于TA15(B類)板材噪聲-9dB的要求;其次,雜波水平的高低與板材的微觀組織的均勻程度密切相關(guān),這也反映了板材的微觀組織分布均勻。

3　結(jié)論

(1)對比不同溫度的退火制度,均呈現(xiàn)出典型的兩相區(qū)加工組織,原始β晶粒充分破碎,無連續(xù)的晶界α相存在,其中經(jīng)830℃退火的微觀組織的均勻性更好。

(2)對比不同溫度的退火制度,整體室溫拉伸性能以及室溫沖擊和斷裂韌度,均能夠滿足GJB2505A—2018的要求,其中,經(jīng)830℃退火試樣的室溫拉伸性能綜合表現(xiàn)較好。室溫沖擊和斷裂韌度隨著退火溫度的升高而逐步提升,整體均大幅度地滿足標準要求。

(3)短流程制備的TA15鈦合金板材能夠滿足標準的超聲探傷要求,且雜波水平遠遠低于標準要求的-9dB。

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