不同退火溫度對(duì)航空航天領(lǐng)域用TA15鈦合金厚板組織與力學(xué)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(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、無(wú)磁等,經(jīng)過(guò)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(lái)加工制作成各種類(lèi)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(hào)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(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有廣泛應(yīng)用,主要用來(lái)制造飛機(jī)隔筐、壁板等工作溫度較高、受力較復(fù)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(yīng)用更加廣泛[3]。本文旨在研究通過(guò)確定相變點(diǎn)后,采用不同熱處理制度對(duì)熱軋成形的鈦合金厚板進(jìn)行處理,觀察并分析其高倍組織的變化和性能的波動(dòng),以獲得最優(yōu)的處理方式。

1、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選取成分符合GJB2505A—2018[4]的鈦合金鑄錠進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn),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(xué)成分見(jiàn)表1。

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

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

實(shí)驗(yàn)選用2800mm四輥可逆軋機(jī),軋制力達(dá)到55000kN,確定最終生產(chǎn)規(guī)格為40mm×1700mm×3000mm的TA15鈦合金厚板。對(duì)最終軋制生產(chǎn)出的板材進(jìn)行在線(xiàn)余溫多輥矯直并快速風(fēng)冷至室溫。

1. 2　工藝方案

為了滿(mǎn)足降低材料成本和提高綜合性能的雙目 標(biāo), 最終確定采用多火次鐓拔鍛造來(lái)提高綜合性能, 并采用短流程軋制生產(chǎn)來(lái)降低材料成本。 將 3 t 鑄 錠進(jìn)行中分切鍛造, 采用 4500 t 快鍛機(jī) 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(jìn)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(jìn)行開(kāi)坯軋制, 進(jìn)行 8 ~ 12 道次軋制后進(jìn) 行回爐補(bǔ)溫 (920~930 ℃并保溫 2~3 h), 完成補(bǔ)溫 后進(jìn)行換向軋制, 進(jìn)行 3~ 6 道次軋制后再進(jìn)行短保 溫?fù)Q向, 軋制出最終成品板。 成品板經(jīng)過(guò)在線(xiàn)余溫 多輥矯直機(jī)的矯直后, 到達(dá)冷床進(jìn)行風(fēng)冷至室溫。

1.3　實(shí)驗(yàn)方案

TA15鈦合通過(guò)于α穩(wěn)定元素Al進(jìn)行固溶強(qiáng)化,屬于高Al當(dāng)量的近α合金,它具有α合金所具備的良好的熱強(qiáng)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(qiáng)化的可能性。TA15鈦合金常用退火溫度為780~850℃,金相法測(cè)得板材相變點(diǎn)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(gè)熱處理制度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)[5-6]。

2、結(jié)果與討論

2.1　熱處理板材金相組織對(duì)比

選取成品板線(xiàn)切割為40mm×100mm×100mm的試樣進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn),完成后進(jìn)行金相與性能檢測(cè)。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(zhǎng)條狀α相及少量的β組織組成。分析認(rèn)為T(mén)A15鈦合金板材在兩相區(qū)軋制時(shí),由于在高溫下長(zhǎng)時(shí)間加熱,使得處于有利取向的晶粒迅速長(zhǎng)大;在板材軋制時(shí),板材上下表面受到強(qiáng)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(yīng)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(zhǎng)條狀組織被保留下來(lái),呈現(xiàn)出等軸狀α相和長(zhǎng)條狀α相[7]。

經(jīng)過(guò)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(wú)連續(xù)的晶界α相存在。隨著板材經(jīng)過(guò)退火處理,組織發(fā)生回復(fù),部分長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)對(duì)照GJB2505A—2018[4]中TA15圖譜進(jìn)行評(píng)級(jí)可以發(fā)現(xiàn),在800~940℃退火的板材組織中,評(píng)級(jí)呈現(xiàn)出3~8級(jí)的狀態(tài),均滿(mǎn)足GJB2505A—2018[4]中對(duì)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(shí),首先發(fā)生回復(fù)過(guò)程,表現(xiàn)為位錯(cuò)減少,加工硬化效果減弱,隨著板材退火溫度的提高,長(zhǎng)條狀α相發(fā)生“球化”,即再結(jié)晶;隨著退火溫度的進(jìn)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(guò)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(cè)對(duì)比

圖3a、圖3b為不同溫度下試樣的力學(xué)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(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。室溫拉伸性能結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,且伸長(zhǎng)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(cè)之上加測(cè)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(shí)的能力和抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)的能力水平較高[9]。分析認(rèn)為,隨著退火溫度的升高,再結(jié)晶程度進(jìn)一步提升,當(dāng)熱處理溫度來(lái)到830℃時(shí),板材內(nèi)α組織進(jìn)一步球化,等軸α相比例增加,板材的殘余應(yīng)力進(jìn)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(qiáng)度達(dá)到最高匹配值。此外,隨著退火溫度的提高,再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)上升,降低了材料軋制過(guò)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(xué)性能對(duì)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(shì)。分析認(rèn)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(fù)與再結(jié)晶,改善了材料內(nèi)部的缺陷和殘余應(yīng)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(duì)于裂紋的擴(kuò)展起到阻礙作用,使得裂紋必須繞過(guò)α組織,增加了裂紋擴(kuò)展的路徑,提升了材料的性能,故結(jié)果遠(yuǎn)高于GJB2505A—2018的要求[11-12]。

2.3　成品板材超聲波檢驗(yàn)

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

圖4中橫向坐標(biāo)代表厚度方向傳播距離,縱向坐標(biāo)代表反射信號(hào)強(qiáng)度。板材探傷結(jié)果顯示:板材的噪聲水平在-20~-12dB內(nèi)波動(dòng),未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷反射波信號(hào)[13],滿(mǎn)足GJB2505A—2018[4]對(duì)于TA15(B類(lèi))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(duì)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(wú)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(duì)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(mǎn)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(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)短流程制備的TA15鈦合金板材能夠滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的超聲探傷要求,且雜波水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的-9dB。

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