航空航天用TA15鈦合金大鍛件熱處理強化及機制

TA15鈦合金源于俄羅斯的BT20,按名義成分劃歸為近α型合金。一般認為該合金不能通過熱處理強化,熱處理制度為普通退火[1,2],退火的目的是通過部分再結晶消除應力、穩定組織與性能。

而再結晶過程是軟化過程,即隨退火溫度提高,強度呈下降趨勢,因此退火溫度不宜太高[2]。但隨鍛件的增大,需要棒材的規格不斷增大,如制作大鍛件的TA15鈦合金棒材化學成分與傳統意義上的BT20相比已有不小的變化,大規格棒材實際已經落入兩相鈦合金的成分范圍,通過增加β穩定元素提高材料強度。即使如此,大型復雜鍛件常出現強度指標富余量小,甚至達不到技術條件要求的情況。為了解決大型復雜鍛件強度不足的問題,除了了解相變、形變、再結晶規律[3～7],改進鍛造工藝外[8,9],在與原有材料成分等變化的情況下,作者將探索通過熱處理對大鍛件進行強化的可能性與途徑。本文主要針對大型復雜鍛件的熱處理工藝參數優化開展研究工作,以指導大鍛件的生產。

1、實驗

試驗材料選用在航空航天領域有廣泛應用的TA15鈦合金,其化學成分(%,質量分數)是:Al:6.66,Mo:1.74,V:2.25,Zr:2.11,N:0.007,O:0.098,H:0.0034,其余是Ti。該合金的主要特點是具有比較高的室溫和高溫性能且可焊性好。

試驗用試樣取自鍛件試料區,鍛件的投影面積超過0.78m2,重約240kg,鍛件采用大于Ф350mm的棒材制成。

熱處理后加工成標準的拉伸試樣,然后進行力學性能測試和組織觀察,在Instron24507試驗機上測定試樣的拉伸性能,在FEIQuanta600掃描電子顯微鏡上進行組織觀察分析。

2、結果與討論

2.1退火溫度對力學性能的影響

在700～970℃溫度范圍內,保溫1h后空冷,開展了退火溫度對室溫和500℃高溫拉伸性能的影響研究,如圖1所示。室溫強度隨退火溫度升高而呈拋物線形變化,890℃達到最高,890℃以后,室溫抗拉強度及屈服強度隨退火溫度增加呈下降趨勢,其中屈服強度的下降較為明顯。由圖1(a)可知,退火溫度在700～890℃,溫度提高190℃,σb增加120MPa;而溫度由800℃提高到890℃,σb增加90MPa,平均每10℃增加10MPa,增加比較明顯。在σb增加同時,室溫σ0.2在840℃出現谷值(圖1(a)),斷面收縮率ψ在870℃出現谷值(圖1(b))。在整個溫度區間,溫度變化對室溫拉伸塑性δ5影響不大。500℃高溫強度基本隨溫度的提高而增大(圖1(c)),溫度變化對500℃高溫拉伸塑性影響不大(圖1(d))。綜合分析認為,選用850～860℃的退火溫度室溫和500℃高溫拉伸性能較好。

2.2退火保溫時間對力學性能的影響

圖2是退火溫度為850℃(空冷)時,不同保溫時間對拉伸性能的影響規律。由圖2可知,850℃退火時,保溫時間在1～3h區間,室、高溫拉伸強度隨保溫時間延長而升高;3h后,強度隨時間延長呈下降趨勢。在整個溫度區間,塑性變化不大。故在850℃退火時,保溫時間3h室溫、500℃高溫拉伸性能最優。以上試驗結果表明,對于大鍛件,通過改變退火溫度及時間可以提高鍛件的性能,也就是存在熱處理強化的可能性,其原因及其機制值得注意。

2.3分析與討論

本文研究的TA15鈦合金大規格棒材制成的大型鈦合金鍛件出現隨退火溫度升高,強度升高的規律,與傳統意義上BT20或國產TA15鈦合金小棒材/小鍛件隨退火溫度升高,強度下降的規律不同。這種不同與材料的化學成分、再結晶及第二相析出有關。首先是化學成分的影響,通常小棒材化學成分β穩定元素取中下限,反映在Mo當量上,Mo當量小于2.5(β相穩定系數Kβ≤0.25),如俄羅斯2002年5月全俄輕合金研究院(ВИЛС)的資深研究員З.И.以拉諾夫在討論BT20鈦合金退火對組織和力學性能影響的研究論文中認為[10]:Ф18mm的熱軋棒材在650～900℃范圍內退火,將導致σb和σ0.2下降的趨勢,總下降約100MPa,ψ增加5%,aKU增加20J·cm^-2,而δ值基本上沒有變化,該合金Mo當量=2.26(Kβ=0.226),是典型的近α合金。但我們對大鍛件的研究得出的結論恰恰相反,即退火溫度從800～890℃以前,強度是逐漸遞增的。如本研究用材Mo當量達3.51(Kβ=0.351),成分已屬于α2β兩相合金范圍,存在通過熱處理強化的可能性。

化學成分因素是導致該合金出現熱處理強化的前提,而退火過程中出現的再結晶軟化與析出強化是出現上述規律的根本原因。眾所周知,不論是再結晶還是析出均是熱激活過程,需要能量作為驅動力,隨著溫度的升高,析出第二相的比例與可能性增大,因此出現隨退火溫度升高,抗拉強度增大的現象。而屈服強度σ0.2出現谷值的現象(圖1(a)),則是由于β轉變組織基體分解析出第二相導致基體軟化(再結晶軟化也有作用),從而引起屈服強度下降。因此,890℃以前的強化過程,析出第二相起主導作用,再結晶軟化起次要作用; 890℃以后,則是再結晶軟化起主導作用(析出的過時效也是軟化的一個原因)。

另外,從不同溫度退火后的SEM照片(圖3)可以看出,退火溫度800℃及以下,β轉變組織中無析出,如圖3b。當退火溫度升高到840℃及以上時,β轉變組織中析出彌散、均勻分布的細小次生α相,如圖3(d),起到強化效果。當890℃退火時,整個β轉變組織中彌散、均勻分布的細小次生α相增多,如圖3f,強化效果最好。當890℃以上退火時,次生α相明顯長大、粗化,如圖3(h),導致強化效果減弱。

顯然,再結晶是在加熱和保溫期間完成的,而析出則是在隨后冷卻過程中完成的。保溫時間的長短主要與再結晶軟化有關,隨退火保溫時間延長,合金的回復和再結晶進行的更為完全,導致合金中結構缺陷密度不斷降低,助長再結晶的軟化作用,而使強化效果降低,出現強度降低、塑性提高的現象。另外,從提高生產效率和降低氧化層厚度的角度考慮,大鍛件退火時間也不宜過長。

3、結論

1）TA15合金大鍛件抗拉強度隨著退火溫度的升高而增大,在800～890℃溫度范圍內,室溫強度升幅達90MPa,500℃高溫強度升幅達130MPa;室溫和500℃高溫塑性變化不大。

2）隨退火保溫時間增加,室溫拉伸強度呈峰值變化,3最高。室溫和5℃高溫塑性基本不變。

3）強度隨退火溫度升高而提高的原因是由于退火過程中基體β轉變組織析出第二相,其強化機制為析出強化。

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