引言
钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性能好、无磁性等特点,用其生产的紧固件在飞机上使用不仅可以达到减重、耐腐蚀的目的,而且是钛合金、碳纤维复合材料等结构件必须的连接件,因此成为现代航空航天工业中非常有前途的金属结构材料。TC16钛合金属于TiＧAlＧMoＧV系α＋β型高强钛合金,该合金主要在热处理强化状态下使用,本文将分析研究其在钛棒材生产过程中热处理强化工艺参数的确定。
1、热处理试验
1.1材料
试验材料选用Φ6mm棒材,通过金相分析法测得试验铸锭的相变点为860℃~865℃,棒材锻态组织如图1所示。
1.2热处理工艺及结果
本试验依据标准GJB3763A—2004《钛及钛合金热处理》制定了TC16成品棒材相应的热处理试验工艺,见表1。
从表1中可以看出:本试验制定了4份退火工艺,共2类(普通退火、双重退火),根据钛及钛合金紧固件力学性能测试取样要求,每份工艺试样为5组。
对根据表1热处理工艺热处理后的试样进行了力学性能及工艺性能的测试,其结果如表2所示。
由表2可知:780℃保温2h后空冷的热处理工艺中,所测试的5组力学性能中有3组抗拉强度Rm不能满足产品性能要求,且在测试冷顶锻工艺性能时,均产生开裂;780℃保温2h随炉冷至550℃后空冷的热处理工艺中有3组断面收缩率Z低于产品性能要求;另外的两份退火工艺中,其力学性能均满足要求。
对比满足要求的两份退火工艺,双重退火的Rm值平均高76MPa,Z值较稳定且略高1％,冷顶锻工艺性能均合格。因此,从力学性能是否能够满足要求的角度来看:我们可以选择出780℃保温2h,炉冷至500℃后空冷热处理工艺及780℃保温2h,空冷,再在630℃保温4h,空冷的热处理工艺较适合产品要求。
2、试验结果分析
TC16棒材各种退火状态下的显微组织如图2所示。
众所周知,α＋β两相合金和亚稳定β型钛合金退火时除再结晶过程外还可能发生与相变有关的组织性能的变化,TC16这种β稳定元素含量较高的钛合金的显微组织一般都呈多边形化。另外,经过热变形后的两相钛合金,不仅发生回复和再结晶,还存在亚稳定β相的分解。退火钛合金的综合机械性能的好坏很大程度上取决于多边形和亚稳定β相的分解哪一个先发生,多边形化先发生是所希望的。在图2中,我们可以发现α相完全多边形化了,这样可以推断TC16钛合金在780℃退火时首先发生的是多边形化。
观察图2(a)~图2(d)显微组织,可以发现在相同的退火温度下保温相同的时间后,仅仅是由于热处理工艺中的冷却方式发生变化,而导致4种热处理工艺下的显微组织产生了不同之处;比较4种金相图发现,图2(c)、图2(d)的α相含量较图2(a)、图2(b)的金相组织中α相含量多,同时可以注意到,图2(d)中的α相和β相分布更加弥散。结合表2可知:采用随炉冷却到一定温度后再空冷的冷却方式,材料力学性能的稳定性较好。这一现象与相关资料研究得到的结论相吻合,以2℃/min~4℃/min的速度炉冷时,可以得到相当稳定的α＋β组织。至于各工艺之间机械性能存在高低不等的差异,这与其他的两相合金一样,在冷却方式发生变化后,TC16钛合金中α相和β相的分布比例会产生变化,从而引起材料机械性能的变化。
TC16钛合金棒在靠近“临界温度”780℃的温度下即780℃退火后空冷时,强度特性较高(见表2),且塑性特性仍然能够保持很高,这主要是空冷并不能使亚稳定β相固定下来,这些亚稳定β相发生了部分的分解。对比图2中的4种显微组织,还可以发现TC16钛合金的退火组织是α相和β相的混合组织,在两相区靠近Ac3点时(Ac3点为α相转变为β相的开始温度,TC16钛合金的Ac3点是800℃)晶粒实际上是不长大的。
双重退火的第一阶段中组织及相组成的特点如上所述,在空冷过程中没有分解的亚稳定β相在第二阶段继续并完全分解,亚稳定β相的分解方式可以简单地表示为:
β亚稳定→β亚稳定＋α→β＋α。这个过程在电子金相研究中可以被观察到,最终的显微组织如图2(d)
所示,具有更加弥散的α相组织且其含量远远高于β相的含量。在表2中,双重退火状态下的强度较之其他几种退火状态下的要高些,这是与亚稳定β相的分解弥散强化相关的;双重退火状态下的塑性也比较高,这与α相含量有相当的关系,因此可以解释在两种退火状态下的冷顶锻试验中,空冷方式全部开裂而双重退火状态下全部合格的测试结果。
3、结论
(1)780℃保温2h后以2℃/min~4℃/min的速度炉冷至400℃~500℃,然后在空气中冷却,可保证最大的塑性和最小的强度。
(2)780℃保温2h后在空气中冷却,再在630℃保温4h,空冷,即可保证最大的塑性和也可具有相当高的强度。
(3)双重退火可使亚稳定β相的分解产生弥散强,冷顶锻测试性能全部合格。
参考文献:
[1]王金友,葛志明,周彦邦．航空用钛合金[M]．上海:上海科学出版社,1885．
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