TA16鈦合金管材拉伸性能及組織研究

TA16合金的名義成分為Ti-2Al-2.5Zr,是一種單相α型鈦合金,相變點約930℃。由于TA16合金具有較高的塑性、適中的強度,并具有良好的冷、熱加工性能、耐蝕及焊接性好等特點而主要以管材形式在航空、船舶及核反應堆等領域作為管路系統應用[1-7]。管路系統長期是在高溫、高壓及高應力等條件極為復雜、苛刻的工況下使用,要求管材具有良好的室溫、高溫性能、工藝性能和抗腐蝕性能。而隨著航空、航天產品小型化、輕型化的發展需要,對管路系統提出了更高的要求。

本文通過對冷軋后的TA16鈦合金管材進行不同溫度的熱處理,取樣分析管材室溫拉伸性能和金相組織,探索熱處理溫度對TA16合金管材性能和顯微組織的影響。選擇最佳工藝進行批量熱處理,進行室溫拉伸性能和工藝性能測定。由于TA16合金管材需長期在高溫環境下服役,取樣進行不同溫度的高溫拉伸測試和拉伸斷口形貌觀察,研究TA16合金管材在不同溫度下性能和斷口形貌的變化規律。

我國鈦合金管材在管路系統實際應用方面與國外先進國家仍存在較大差距,在小規格管材的研制和加工技術方面落后,產品存在性能不穩定、批次性差、晶粒粗大等問題。作者希望這些研究工作的開展有助于加深對鈦合金塑性變形規律的認識,能夠為TA16合金的生產和推廣提供幫助。

1、實驗

實驗選擇1級海綿鈦、原子能級海綿鋯和鋁箔、鋁豆為原料,經過3次真空自耗電弧爐熔煉制備成φ160mm的TA16合金鑄錠,鑄錠化學成分見表1。

TA16合金鑄錠經過開坯,精鍛成φ100mm棒坯。棒坯經車光、鉆孔、包套后采用1500t臥式擠壓機擠制成φ30mm管坯。采用LG30軋機進行開坯至φ21mm后,采用LD30/15/8軋機進行不同變形量、多道次精軋至成品。軋制后的管材經過除油酸洗后,分別經不同溫度(600℃、650℃、700℃、750℃)保溫60min,熱處理均采用φ250伊2500mm真空熱處理爐進行。試樣截面經過磨制、拋光后,使用腐蝕劑(1~3mLHF+2~6mLHNO3+100mLH2O)進行腐蝕,浸蝕時間為10~20s。采用OlympusMPG3立式金相顯微鏡對顯微組織進行觀察。管材試樣室溫拉伸性能在INSTRON5985萬能材料實驗機上按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測定,管材試樣高溫拉伸性能在INSTRON5982萬能材料實驗機上按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》測定Rm,Rp0.2,A分別為材料的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。在JSM-6700F掃描電子顯微鏡上觀察拉伸試樣的斷口形貌。

2、結果與討論

2.1 熱處理溫度對TA16合金管材室溫拉伸性能的影響

TA16合金管材是經過大變形量冷軋而成。管材經過加工內部產生大量的位錯、缺陷以及較大的殘余應力,使得管材強度較高,塑性較低。圖1為不同熱處理溫度與力學性能的關系曲線。由圖1可見,管材在不同的熱處理制度下,隨著溫度的升高,其強度和塑性均呈下降趨勢。管材在600℃熱處理時,獲得較好的強塑性匹配,主要是由于經過大變形軋制使得管材晶內儲能較多,回復較快所致。在600~750℃熱處理時,管材的強度變化不明顯,管材的抗拉強度介于575~600MPa,屈服強度介于425~475MPa。在750℃熱處理時,管材的抗拉強度并不隨溫度的升高而變化,基本保持穩定水平,反而管材的塑性降低,主要是由于隨著溫度的升高晶內儲能充分釋放,加工硬化得到消除,高的熱處理溫度造成再結晶晶粒長大引起。

屈強比是判斷金屬材料塑性的重要指標,也是制定金屬塑性加工工藝的重要依據之一。通常情況下鈦及鈦合金的屈服強度與抗拉強度差異較小,即屈強比較高,一般在80%以上,而許多中、高強度的鈦合金的屈強比在95%以上,導致塑性相對較差。圖2為不同熱處理溫度對管材屈強比的影響曲線。由圖可見,隨著熱處理溫度的升高,屈強比逐步減小,管材試樣產生明顯的軟化,有利于管材的冷加工。

2.2 熱處理溫度對TA16合金管材室溫拉伸組織的影響

選擇不同的熱處理制度對合金組織及晶粒大小有著直接的影響,管材試樣低于600℃熱處理時,變形流線組織明顯減少,但仍然殘留著部分破碎的加工態變形組織;在600℃熱處理時,TA16合金發生再結晶并獲得較好的強塑性匹配,主要是由于管材經過大變形提高位錯密度,而合金中80%~90%再結晶儲存能是以位錯形式儲存于變形金屬中,位錯產生的再結晶驅動力與位錯密度成正比。因而變形后的金屬內部變形量越大其儲存能就越高,再結晶的驅動力也就越大[5]。隨著熱處理溫度的升高,在650℃、700℃和750℃時TA16合金再結晶的    晶粒逐漸長大(見圖3)。

2.3 成品管材熱處理后的工藝性能

從不同溫度熱處理后的試樣拉伸性能可看出,管材經600℃熱處理可獲得較好的強塑性匹配。采用該溫度對成品管材進行批量熱處理,測得的室溫拉伸性能完全符合GJB3423A-2008要求(性能見表2)。在室溫下,用錐度為74℃的頂芯在管材軸向施加壓力,使管材產生外徑為原始外徑的1.3倍的擴口變形后,管材試樣擴口處表面沒有出現裂紋和其他可見的缺陷。按照彎曲半徑為管材名義外徑的3倍要求,使管材試樣彎曲180℃,彎曲處表面沒有出現裂紋和其他可見的缺陷。管材進行壓扁試驗,壓至規定的間距H時(①H=3.33mm;②H= 4.93mm;③H=6.15mm;④H=8.15mm),管材表面沒有出現裂紋和其他可見的缺陷。

2.4 熱處理溫度對TA16合金管材高溫拉伸性能的影響

TA16鈦合金管材主要在航空、艦船、核反應堆熱交換系統、液壓管路系統中是在高溫、高壓及高應力等極為復雜的惡劣工況下工作,工作溫度通常在350℃左右。在長期服役中TA16合金管材內部必然產生較大的溫度梯度和應力梯度,引起材料產生循環往復的局部塑性變形。因此,在高溫下管材性能的好壞對整個系統的安全性和穩定性影響至關重要。選擇100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃對TA16合金管材進行高溫拉伸試驗,觀察管材在高溫下性能的變化規律。

由圖4可見,隨著拉伸溫度的升高,管材抗拉強度和屈服強度均呈現下降趨勢。在100~200℃拉伸時,管材的抗拉強度從497MPa下降到404MPa,屈服強度從315MPa下降到265MPa,強度降幅比較明顯。在250~350℃拉伸時,管材的抗拉強度從404MPa下降到341MPa,屈服強度從265MPa下降到229MPa,強度變化呈緩慢下降趨勢,TA16合金管材性能在這個區間表現出對溫度不敏感,對材料長期在300℃左右溫度下使用的安全性和可靠性非常有利。 350℃高溫拉伸所測的管材性能滿足GJB3423A規定的Rm≥245MPa,Rp0.2≥177MPa的要求。

2.5 熱處理溫度對TA16合金管材高溫拉伸斷口形貌的影響

用SEM電鏡觀察TA16合金管材高溫拉伸斷口形貌,從拉伸斷口的SEM分析看(見圖5),所有試樣經過高溫拉伸的斷口均出現頸縮,斷口明顯可見大量撕裂棱和韌窩,撕裂棱下有大量滑移線,韌窩淺且窩底平坦,另外斷口上出現一定數量的河流狀特征。由于韌窩和撕裂棱高度較低,因此TA16合金在350℃下的塑性低于室溫也是必然的。

3、結論

(1)TA16合金管材在600~750℃熱處理時,管材的強度、塑性和屈強比隨著溫度的升高均呈下降趨勢,在600℃熱處理時,管材可獲得最佳的強塑性匹配。管材的內部組織發生再結晶,隨著溫度的升高,晶粒逐漸長大。

(2)選擇600℃批量熱處理時,測得的管材室溫拉伸性能及工藝性能符合GJB3423A要求。

(3)TA16合金管材在100~350℃高溫拉伸時,管材的強度呈下降趨勢,測得的管材350℃高溫拉伸性能符合GJB3423A要求。管材高溫拉伸斷口均出現頸縮,表現出塑性斷裂的特征。

參考文獻

[1]于振濤,周廉,鄧炬,等.Ti-2Al-2.5Zr合金管、板材織構研究[J]稀有金屬材料與工程,2000,29(2):86-89.

[2]佟學文,李勝杰,楊隴林,等.TA16鈦合金熱加工管材工藝研究[J]金屬學報,2002,38(增刊1):397-399.

[3]李遠睿,胡躍均,王書珍.Ti-2%Al-2.5%Zr鈦合金的高溫持久強度[J].重慶大學學報,2007,30(3):56-59.

[4]魏壽庸,祝瀑,劉峰,等.Ti-2Al-2.5Zr鈦合金簡介[J].鈦工業進展,1998,15(3):6-8.

[5]江志強,楊合,詹梅,等.鈦合金管材研制及其在航空領域應用的現狀與前景[J].塑性工程學報,2009,16(4):44-50.

[6]楊英麗,盧亞鋒,郭荻子,等.氧含量及軋制工藝對純鈦管材性能的影響[J].鈦工業進展,2011,28(5):27- 30.

[7]高文靜.TA16鈦合金管材工藝研究[J].熱加工工藝,2016,45(1):163-165.

[8]周偉,陳軍,趙永慶,等.鉭鈦合金再結晶退火工藝研究[J].熱加工工藝,2006,35(20):61-63.