TC4钛合金棒材的高温蠕变性能

李 荣,张雪华,武晶晶,李正佳

(西部金属材料股份有限公司,宝鸡721014)

TC4钛合金棒材的高温蠕变性能

李 荣,张雪华,武晶晶,李正佳

(西部金属材料股份有限公司,宝鸡721014)

伴随着航空工业的发展,高温钛合金的需求也持续增长,其高温蠕变性能直接影响着材料的研发和使用。试验对现阶段应用范围最广的TC4钛合金棒材进行了蠕变试验,分析了在400℃及一定残余变形条件下,该材料的总延伸率、残余变形应力与时间的关系。结果表明:在400℃时,TC4钛合金棒材的蠕变稳定过程所需时间随着试验应力的增加而变短;稳态蠕变速率随着试验应力的增加而增大;在规定0.1%和0.2%残余变形的条件下,试验阶段内试验应力与试验时间在取对数的情况下呈近似线性关系。

TC4钛合金;蠕变性能;总延伸率;应力;时间

伴随着航空工业的发展,高端高温合金的需求也日益旺盛。高温钛合金由于其比强度高的特点,在航空领域得到广泛应用。尤其是在航空发动机内应用高温钛合金,可以减小发动机的质量,提高燃油输出功率,减小噪声。国内外主要的高温钛合金有美国的Ti-1000、英国的IMI834、俄罗斯的BT36和中国的Ti600等,这些钛合金在高温下都具备较高的瞬时强度和蠕变强度[1-2]。

高性能TC4钛合金棒材作为现阶段应用范围最广的高强度钛合金型材,通过改变其合金元素含量,改进加工工艺,可以获取更好的高温性能,这在实际生产和研发中具有重要的意义。对于不同成分及加工工艺的TC4钛合金,测试其是否具有符合实际生产规定的蠕变性能也具有重要的意义。

由于现阶段TC4钛合金主要在400℃下服役,笔者测试了其在该温度下的多应力蠕变数据,绘制在一定残余变形下的时间-应力曲线,并对TC4钛合金的蠕变性能进行了分析讨论。

1 试验原理与试验方法

1.1 试验原理

一般的蠕变试验是在一定温度下,沿试样的轴线方向施加恒定拉应力并保持一定的时间,以获得试样产生的总伸长或残余伸长[3]及蠕变断裂时间。

该文中的蠕变区间曲线是指,在规定的试验温度、规定的蠕变残余变形的前提下,建立阶段试验应力与试验时间的关系。

1.2 试验方法

鉴于现有的TC4钛合金棒材的主要使用温度为400℃,界定失效条件为0.1%蠕变残余变形(35 h)和0.2%蠕变残余变形(100 h)[4-5]。选用原始直径为20 mm的TC4钛合金棒材,经热处理(780℃保温1.5 h后空冷)后加工成直径为10 mm的蠕变试样,在RD2型蠕变试验机上进行蠕变试验,试验机力值精度0.5级,同轴度偏差小于6%。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

基于以上各种试验数据,测试该试样在400℃时各应力下的总延伸率与时间的关系,结果见图1。对图1的结果进行计算,可得400℃下TC4钛合金的弹性变形,结果见表1。

图1 400℃时TC4钛合金棒材总延伸率和时间曲线Fig.1 Curves of total elongation and time of TC titanium alloy bars at 400℃

表1 400℃时不同应力下TC4钛合金棒材的弹性变形Tab.1 Elastic deformation of the TC4 titanium alloy bars under different stress at 400℃

由于蠕变试验中总延伸率是由塑形变形与弹性变形组成,蠕变试验过程中可直接测得的只有总延伸率,假定蠕变试验过程中在应力一定的情况下弹性变形不变。利用表1的数据,测定规定0.1%和0.2%残余变形的条件下观察总延伸率的数值,选择终止试验时间。所得到的应力与对应的试验时间见表2,依据该结果,绘制在规定温度下规定残余变形的应力与时间曲线,见图2。

表2 400℃时TC4钛合金棒材蠕变试验数据Tab.2 Creep test data of TC4 titanium alloy bars at 400℃

图2 400℃时TC4钛合金棒材蠕变残余变形应力和时间曲线Fig.2 Curves of residual deformation stress and time of TC4 titanium alloy bars at 400℃

2.2 讨论

图3反映了一般蠕变试验3个阶段的典型曲线, 3个阶段分别为:①I阶段,加速度减小、速度增大直至加速度为零、速度恒定,曲线表现为斜率变小且趋势变缓;②II阶段,加速度为零,速度恒定增大,曲线表现为斜率恒定;③III阶段,加速度变大,速度增大至试样断裂,曲线表现为斜率变大且趋势加快[5]。

该试验中,图1所示的总延伸率和时间曲线明显处于典型曲线的I～II阶段。分析各应力下的蠕变试验曲线可见,伴随着应力增加,曲线斜率增大,斜率变定值的时间变长。对照蠕变试验的曲线特点可知,在该试验温度和试验应力条件下,蠕变试验发生在蠕变的I～II阶段,伴随着试验应力的增加,蠕变I阶段时间变长,II阶段的稳态蠕变速率变大。

依据总延伸率为弹性变形与塑形变形之和的原理,在规定蠕变残余变形为0.1%和0.2%的前提下,测定选择试验的终止时间。在试验结束后测试所得的塑形变形均在0.1%±0.005%和0.2%± 0.008%,在各个应力条件下均完成了6个试验,虽然试验时间均有差别,但试验所得的塑形变形相对变化不大。因此试验结果表明,在该试验条件下, TC4钛合金棒材的弹性变形在一定应力下不随时间的增加而变化。

图3 一般蠕变试验的总延伸率和时间曲线Fig.3 Curve of total elongation and time of general creep tests

对图2中的时间和应力数值取对数后发现,应力和时间成近线性关系,依据图2中的曲线关系,可在规定时蠕变残余变形为0.1%和0.2%的前提下获取一定应力下TC4钛合金的安全服役时间,或预期服役时间下的安全应力。

鉴于TC4钛合金棒材高温使用环境的一致性,以及其高温变形行为的一致性[5-7],在测定其他TC4钛合金棒材的蠕变性能时可参照该方法。

3 结论

(1)TC4钛合金棒材的蠕变稳定过程所需时间随着试验应力的增加而变短,稳态蠕变速率随着试验应力的增大而变大。

(2)TC4钛合金棒材在400℃、规定0.1%和0.2%残余变形的条件下,试验阶段内试验应力与试验时间在坐标值取对数的情况下成近似线性关系。在一定试验应力的条件下,弹性变形不随试验时间的变化而变化。

(3)在有限试样条件下,可利用该方法测定TC4钛合金棒材在规定使用条件下的蠕变性能。

[1] 许国栋,王凤娥.高温钛合金的发展和应用[J].稀有金属,2008,32(6):774-780.

[2] 惠松骁,张翥,萧今声,等.高温钛合金热稳定性研究[D].北京:北京有色金属研究总院,1999.

[3] GB/T 2039—2012 金属拉伸蠕变及持久试验方法[S].

[4] GJB 2218A—2008 航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范[S].

[5] 汪军.钛合金蠕变行为研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,1999.

[6] 马红征,黄张红,曲恒磊,等.轧制TA10钛合金管开裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2014,50(3): 223-226.

[7] 张立新,孙奇,田野,等.K444铸造高温合金的高温蠕变性能[J].理化检验-物理分册,2013,49(8):510-515.

Creep Property of TC4 Titanium Alloy Bars at High Temperature

LI Rong,ZHANG Xue-hua,WU Jing-jing,LI Zheng-jia
(Western Metal Materials Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)

With the development of aviation industry,the demand of high-temperature titanium alloy continues to grow,and its creep property at high temperature directly affects the development and use of this material.The creep tests carried out on the TC4 titanium alloy bars which had the widest application range.The relationship of total elongation,residual deformation stress and the time of this material was analyzed under the condition of 400℃and certain residual deformation.The results show that:at the temperature of 400℃,the time required for the creep stability of TC4 titanium bars at 400℃got shorter with the increase of test stress;the steady creep strain rate increased with the increase of test stress;under the condition of the specified residual deformation of 0.1%and 0.2%,the test stress had a approximate linear relation with the test time in the test stage after taking logarithm.

TC4 titanium alloy;creep property;total elongation;stress;time

TG115.5+7

:A

:1001-4012(2017)01-0014-03

10.11973/lhjy-wl201701004

2016-08-09

李荣(1984—),男,工程师,主要从事稀有金属检测及工艺评估工作,273647279＠qq.com。