热机械工艺对 Ti-1023合金组织和力学性能的影响

费 跃, 常 辉, 商国强, 寇宏超, 朱知寿, 张丰收, 周 廉

(1.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安,710072;2.北京航空材料研究院,北京,100095;3.西部超导材料科技有限公司,西安,710016)

近 β钛合金不仅具有高强度、深淬透性、优异的断裂韧性和抗裂纹扩展性能等优点[1,2],而且其综合性能主要由热机械加工后的组织控制并在相当的范围内可调[3,4],因此逐渐成为重要的一类钛合金而在航空航天重要构件上得到越来越多的应用。近 β钛合金可以通过 β相区固溶处理或热机械变形并快速冷却而保留亚稳 β组织,并在随后的时效过程中控制次生 α析出相的形貌、数量和分布来改善合金的力学性能[5,6],这也是该类钛合金近年的研究热点。O.M.Ivasishin等人对VT22合金在β区固溶处理并以较低加热速率加热到时效温度进行时效处理后,发现该合金力学性能得到改善[5]。C. Sauer等人研究了β-Cez合金在β相区热轧处理并水淬 +时效处理后的显微组织,发现热轧变形可以提高合金的塑性,但强度变化不大[6]。Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-1023)钛合金作为一种典型的近β高强钛合金,已被用于制造大型飞机的起落架、机翼和转轴等关键结构件[7,9],但其热机械工艺与组织和性能关系的研究仍是我国钛合金领域关注的重点,因此,本工作研究了热机械工艺对 Ti-1023合金显微组织及力学性能的影响规律,期待为确定该合金理想的热机械工艺并揭示近 β钛合金热机械工艺强化机制提供实验依据。

2 试验方法

试验用Ti-1023合金材料取自西部超导材料科技有限公司提供的 φ90mm精锻棒料,其化学成分(质量百分数/%)：V 10.21,Al 2.92,Fe 1.84,O 0.125,C 0.016,N 0.009,H 0.001,其余为Ti;β相变温度为 815～820℃。

采用线切割法在 φ90mm的棒坯上分别切取φ15mm×10mm的试样(“试样A”)和φ20mm× 220mm的圆柱状试样。再将圆柱状试样在 845℃发生45%的热轧变形并水淬后,在其上切取φ15mm× 10mm的试样(“试样B”)。对“试样A”在 845℃进行固溶处理0.5h并水淬,然后在500℃时效处理8h和低温(300℃/8h)-高温(500℃/16h)双重时效,研究Ti-1023合金β区固溶、时效工艺对显微组织和力学性能的影响;对“试样 B”在500℃时效处理 8h和低温(300℃/8h)-高温(500℃/16h)双重时效,研究 Ti-1023合金 β区热轧变形、时效工艺对显微组织和力学性能的影响。利用OLYMPUS/PMG3型光学显微镜、JSM-6360LV型扫描电镜和H-800型透射电子显微镜对试样进行显微组织分析;利用 INSTRON5581型电子万能试验机测定合金在不同热机械工艺下的室温拉伸性能。

3 结果与讨论

3.1 不同热机械工艺后Ti-1023合金的显微组织

3.1.1 β区固溶处理后和 β区热轧变形后的显微组织

图1为Ti-1023合金在845℃固溶处理0.5h后和热轧变形后的显微组织,可以看出,合金在 845℃固溶处理0.5h后的水淬组织为等轴状的 β晶,且有大量的针状 α″马氏体在 β晶界周围呈团簇形式或平行排列,如图1a;而当合金在845℃发生45%的热轧变形后,等轴状的 β晶粒发生畸变而沿轧制方向被拉长,晶界呈现锯齿状,且形成较小的 β晶粒,如图 1b。利用截线法测得该合金在 845℃固溶处理0.5h并水淬后 β晶粒大小约为 146μm,在 845℃发生45%的热轧变形后β晶粒大小约为75μm。

图1 Ti-1023合金845℃固溶处理后(a)和热轧后(b)的显微组织Fig.1 Microstructures of Ti-1023 alloy after solution treatmentand hot rolling (a)845℃/0.5h, WQ;(b)deformation to 45%at 845℃,WQ

3.1.2 β区固溶、时效后的显微组织

图2为Ti-1023合金在845℃固溶处理0.5h并进行单重和双重时效后的显微组织。从图中可以看出,合金在500℃时效8h后,从 β基体中析出细长的片层状次生 α相,次生 β相分布不均匀,或在晶界处平行排列和相互交织,或在 β晶粒内呈交织分布,如图2a、b所示,表明该合金在此温度时效过程中,亚稳 β相的分解方式为 β→α+β[10]。但 Ti-1023合金经300℃/8h+500℃/16h双重时效后,β基体上也析出片层状次生 α相,但 α相分布更加均匀,且由于时效时间较长而发生片层状次生α相的粗化,如图2c,d。

图2 845℃/0.5h固溶Ti-1023合金经500℃/8h时效(a,b)和300℃/8h+500℃/16h双重时效(cd)后的显微组织Fig.2 Microstructures of Ti-1023alloy at different heat treatment processing (a,b)845℃/0.5h,WQ+ 500℃/8h,AC;(c,d)845℃/0.5h,WQ+ 300℃/8h+500℃/16h,AC

图3为Ti-1023合金300℃/8h时效后的透射显微组织,可以发现Ti-1023合金经过 300℃时效处理后析出大量椭球状的(相颗粒,并存在两种变体,它与β相的取向关系是认为,弥散分布的(相是一种过渡相,它在随后高温时效(500℃)过程中会发生 ω→α转变,ω相的存在可为次生 α相形核提供有利位置,从而析出均匀分布的次生α相。因此可以认为Ti-1023合金在双重时效过程中,亚稳 α相的分解方式为β→ω+β→ω+α+β→α+β。

图3 845℃固溶后Ti-1023合金在300℃时效8h后的微观组织Fig.3 Microstructure of Ti-1023alloy held at 300℃for 8h after the solution-treatment at 845℃for 0.5h (a)the light field image;(b)the selected area election diffraction pattern

3.1.3 β区热轧变形、时效后的显微组织

图4为在 845℃热轧变形并采用不同制度时效后Ti-1023合金的显微组织。从图中可以看出,相对未变形的 Ti-1023合金而言,变形 45%后的合金在 500℃时效 8小时后形成的次生 α相更加均匀细小,如图 4a。这是由于合金变形后立即进行水淬,使变形过程中晶粒内部产生的晶体缺陷全部或部分保留至室温,在随后的时效过程中,这些缺陷可作为次生 α相的形核位置,使 β基体中析出的次生 α相更加均匀细小[13],也说明形变热处理有利于合金在时效过程中形成更加细小均匀的 α+β显微组织。图4b为变形+双重时效后Ti-1023合金的显微组织。可以看出,由于 300℃时效过程中析出的过渡ω相为次生 α相的析出提供了更多的形核点,从而使得 500℃时效后最终组织的次生 α片层更加细小,且对比图 2和图 4可以发现,β相区的变形使得后续时效析出的次生 α相更加细小均匀。

图4 热轧变形Ti-1023合金经不同时效工艺后的显微组织Fig.4 Microstructures of Ti-1023 titanium alloy after hot rolling at 845℃followed by different heat treatment processing (a)deformation to 45%at 845℃, WQ+500℃/8h,AC;(b)deformation to 45% at 845℃,WQ+300℃/8h+500℃/16h,AC

3.2 不同热机械工艺处理后力学性能

表1为经不同热机械工艺处理后 Ti-1023合金的拉伸力学性能,可以看出,β相区热轧变形+双重时效处理不仅提高了 Ti-1023合金的强度,而且其塑性也得到了一定程度的改善。对于近 β钛合金而言,β晶粒大小是影响塑性的主要因素,即 β晶粒越小,越有利于提高合金的塑性[14];而次生 α相的体积分数、尺寸大小以及形态是影响拉伸强度的主要因素,即次生 α相的体积分数越多、尺寸越小以及分布越弥散,越有利于提高合金的强度[15、16]。如Ti-15-3合金β晶粒尺寸从200μm减小到15μm,可使得延伸率从21%变为 24%,断面收缩率从 69%增大到81%[5];而TIMETAL-LCB合金以0.25℃/s的加热速率升到 520℃时效 8h获得的次生 α相比以20℃/s的加热速率升到 520℃时效 8h获得的次生 α相更加细小、弥散,屈服强度和断裂强度也分别提高 130MPa和105MPa[17]。也就是说,具有较小 β晶粒的同时具有细小、均匀分布的次生 α相有利于合金获得较好的强度与塑性的匹配。Ti-1023钛合金经过 845℃变形处理后,使 β晶粒尺寸从146μm减小到 75μm,对提高塑性有利,而进一步的双重时效处理,使得次生 α相更加细小而弥散分布,有利于提高合金的强度。因此变形 +双重时效处理可以在显著提高合金强度的同时提高塑性。

表1 Ti-1023合金经不同热机械处理后的力学性能Tab le 1 Tensile properties of Ti-1023 alloy after different heat-treatment

4 结论

(1)Ti-1023合金在300℃/8h+500℃/16h双重时效处理过程中,其中低温时效过程中析出的过渡 ω相为高温时效中次生 α相的析出提供均匀的形核点,从而获得更加均匀分布的次生 α相,其亚稳 β相在双重时效过程中分解方式为 β→ω+β→ω +α+β。

(2)β相区热轧变形使 Ti-1023合金形成细小的 β晶,变形过程中产生的缺陷为随后时效过程中的相变提供形核位置,进一步促进了次生 α相均匀析出。

(3)Ti-1023合金在 845℃热轧变形并经300℃/8h+500℃/16h双重时效后可获得理想的强度、塑性匹配。

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