飛機(jī)技術(shù)的每一代進(jìn)步,結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)的降低和壽命的延長(zhǎng),發(fā)動(dòng)機(jī)推重比量級(jí)的每一次提高,無不強(qiáng)烈依賴于材料技術(shù)的進(jìn)步。 “一代材料,一代裝備”就是對(duì)航空裝備與航空材料的相互依存、相互促進(jìn)的緊密關(guān)系的真實(shí)寫照。 鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕好、輕質(zhì)、高溫性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),作為重要的結(jié)構(gòu)材料被廣泛使用于航空、航天領(lǐng)域[1] 。 在航空領(lǐng)域中,鈦合金可以替代高密度合金為飛機(jī)減重,現(xiàn)代飛機(jī)中鈦合金的用量也越來越大。 美國第三代戰(zhàn)斗機(jī) F-14 和 F-15鈦合金用量分別占24%和27%,而第四代戰(zhàn)斗機(jī) F-22鈦合金用量高達(dá) 41%[2] 。 其中,特大型鈦合金整體鍛件已廣泛用于機(jī)翼和后機(jī)身。 美國先進(jìn)的 V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金用量也達(dá)到了 30% 左右。 民機(jī)上的鈦合金用量也創(chuàng)新高,波音 787 飛機(jī)和 A380 飛機(jī)的鈦合金用量都達(dá)到 10%左右。
近年來,航空對(duì)高強(qiáng)度、高斷裂韌度的新型結(jié)構(gòu)鈦合金的需求越來越迫切,因此研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),能夠替代超高強(qiáng)度鋼并用于航空大型結(jié)構(gòu)件的新型高強(qiáng)高韌鈦合金得到了重視。 目前國內(nèi)外成熟的高強(qiáng)度鈦合金主要包括 Ti?1023、BT22、TC18、TC21 鈦合金等,但是這些鈦合金抗拉強(qiáng)度都在 1100 MPa 級(jí)別。
TB18 鈦合金是近年來聯(lián)合自主研制開發(fā)的一種新型亞穩(wěn)β型高強(qiáng)高韌鈦合金,其抗拉強(qiáng)度高于 TC11、TC18 及 TC21 合金等航空領(lǐng)域成熟的鈦合金,是一種高結(jié)構(gòu)效益鈦合金[3] 。 該合金經(jīng)合適的固溶時(shí)效處理后,強(qiáng)度可達(dá) 1300 MPa,斷裂韌度可達(dá) 60 MPa·m1/2[4] 。
固溶時(shí)效是亞穩(wěn)β鈦合金的主要強(qiáng)化方法,例如,Ti6554 鈦合金經(jīng)過單相區(qū)固溶和500 ℃短時(shí)時(shí)效后強(qiáng)度高達(dá) 1590 MPa[5?6] ,并優(yōu)化出了最佳熱處理制度,為(870 ~920 ℃)×30min,空冷 +580 ℃ ×10 h[7?9] 。 作為亞穩(wěn)β鈦合金,固溶時(shí)效也是TB18 鈦合金的主要強(qiáng)化方法,但相關(guān)研究仍較少。
為進(jìn)一步獲得TB18 鈦合金最佳性能匹配的熱處理工藝,在科技工作者前期開展的研究基礎(chǔ)上[10?13] ,本文采用不同時(shí)效溫度對(duì)TB18 鈦合金進(jìn)行熱處理,研究時(shí)效溫度對(duì)TB18 鈦合金力學(xué)性能、顯微組織及斷口形貌的影響,為該鈦合金后續(xù)的工程化應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。
1、試驗(yàn)方法和材料
試驗(yàn)所用的TB18 鈦合金為經(jīng)兩相區(qū)鐓拔鍛造的鍛件,其主要化學(xué)成分如表 1 所示。 為研究時(shí)效溫度對(duì)TB18 鈦合金力學(xué)性能和組織的影響,先對(duì)鈦合金進(jìn)行了 870 ℃×2h,空冷(AC)的固溶處理,再分別進(jìn)行 520、530、540 及 550 ℃保溫 4h空冷的時(shí)效處理。
熱處理后沿著平行于坯料長(zhǎng)度方向,經(jīng)線切割、精加工、磨削等工序制備有效工作直徑 ?5 mm、標(biāo)距25 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。 每組熱處理工藝取 2 個(gè)平行試樣進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試,室溫拉伸試驗(yàn)在 AG250CNE 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 采用 Alpha300R 型光學(xué)顯微鏡觀察和分析顯微組織,采用 CamScan3400 型掃描電鏡觀察和分析鈦合金中次生 α 相的形貌。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 時(shí)效溫度對(duì)力學(xué)性能的影響
不同時(shí)效溫度下TB18 鈦合金的力學(xué)性能如表2所示,由表2數(shù)據(jù),繪制TB18 鈦合金力學(xué)性能與時(shí)效溫度的關(guān)系曲線,如圖 1 所示。 從表2和圖1可以看出,隨著時(shí)效溫度的升高,TB18 鈦合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低,伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則均升高,這與金屬的一般規(guī)律相符。 進(jìn)一步對(duì)力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析可知,時(shí)效溫度每升高 10 ℃,抗拉強(qiáng)度降低約 50 MPa,伸長(zhǎng)率提高約 1.7%。 尤其是當(dāng)時(shí)效溫度由 540 ℃升高到 550 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度降低了 78.5 MPa,伸長(zhǎng)率提高了 3%。 這說明TB18 鈦合金力學(xué)性能對(duì)時(shí)效溫度非常敏感。
值得注意的是,當(dāng)時(shí)效溫度為 520 ℃ 時(shí),抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率都合格,抗拉強(qiáng)度比指標(biāo)高47.5 MPa,但是伸長(zhǎng)率比指標(biāo)僅高1.5%,收縮率比指標(biāo)僅高 3%,伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的富余量都不大。 而當(dāng)時(shí)效溫度 540 ℃和 550 ℃時(shí),雖然伸長(zhǎng)率和斷面收縮率提高,但是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度已經(jīng)不滿足該材料的性能指標(biāo)要求。 當(dāng)時(shí)效溫度為530 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別比指標(biāo)高 5.5 MPa 和26 MPa,伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別比指標(biāo)高 2.8% 和6%。 因此,從合金強(qiáng)度和塑性綜合考慮,合金時(shí)效溫度因選取 530 ℃為宜,也即TB18 鈦合金的最佳熱處理工藝為870 ℃×2h,AC,固溶 +530 ℃ ×4 h,AC,時(shí)效。
2.2 時(shí)效溫度對(duì)顯微組織的影響
TB18 鈦合金不同溫度時(shí)效后出現(xiàn)力學(xué)性能的差異跟其微觀組織是密切相關(guān)的。 圖2(a)是TB18 鈦合金原始鍛態(tài)的顯微組織,圖 2(b)是經(jīng) 870 ℃×2h 固溶處理后的顯微組織。 原始組織為經(jīng)兩相區(qū)多火次鍛造的鍛態(tài)組織(見圖 2(a)),組織中存在等軸狀初生 α相。 兩相區(qū)鍛造是在β轉(zhuǎn)變溫度以下 20 ~50 ℃加熱后進(jìn)行鍛造,也稱為常規(guī)鍛造,根據(jù)鍛造溫度一般獲得雙態(tài)組織或等軸組織。 而經(jīng) 870 ℃保溫 2 h 空冷的固溶處理后,由于固溶溫度比β轉(zhuǎn)變溫度高 70 ℃,原本鍛態(tài)中的細(xì)小的初生 α 相已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為等軸β晶粒(見圖2(b))。 此時(shí),合金晶粒尺寸為 200 ~250 μm。
值得注意的是,盡管固溶后冷卻方式為空冷,但晶內(nèi)并沒有 α 相析出。 這是因?yàn)?Cr、Mo 和 V 都是典型的 β穩(wěn)定元素,β 穩(wěn)定元素能夠固溶于β相中穩(wěn)定β相、擴(kuò)大β相相區(qū)或降低β相相變點(diǎn)。 從表 1 可以看出,TB18 鈦合金的 Cr 含量為 5.4%、Mo 含量為 5%、V 含量為5%,3 個(gè)β穩(wěn)定元素(Cr、Mo、V)含量累計(jì)為15.4%。
根據(jù)Mo當(dāng)量公式可計(jì)算出其Mo當(dāng)量為 13.95,這使得TB18 鈦合金在空冷條件下就足以保留高溫β相至室溫,成為過飽和固溶體。 這種過飽和固溶體也為后續(xù)的時(shí)效析出做準(zhǔn)備。
圖 3 是TB18 鈦合金經(jīng) 870 ℃ × 2 h 固溶處理后在不同溫度下時(shí)效 4 h 后的顯微組織。 從圖 3 可以看出,TB18 鈦合金經(jīng)不同溫度時(shí)效后原始β晶界仍清晰可見,顯微組織由等軸的原始β晶粒和次生 α 相組成。 時(shí)效溫度對(duì)原始β晶粒尺寸略有影響,但是總體影響并不明顯。
為進(jìn)一步分析不同時(shí)效溫度下TB18 鈦合金中次生 α 相的微觀形貌,對(duì)經(jīng)不同溫度時(shí)效的TB18 鈦合金進(jìn)行 SEM 觀察與分析,結(jié)果如圖 4 所示。 從圖 4 可以看出,TB18 鈦合金經(jīng)不同溫度時(shí)效后,次生 α 相的微觀形貌相似,均為片層狀,α 片層之間縱橫交錯(cuò)。 但時(shí)效溫度對(duì)次生 α 相片層尺寸(長(zhǎng)度和厚度)具有明顯的影響。 如圖 4(a) 所示,在 520 ℃ 時(shí)效處理 4 h后,α 片層尺寸較為細(xì)小,縱橫交錯(cuò),但由于時(shí)效溫度較低,部分析出 α 相還沒有形成片層結(jié)構(gòu)。 隨著時(shí)效溫度升高至 530 ℃(如圖 4(b)所示),片層 α 相增多,同時(shí)厚度略有增加。 從尺寸來看,與520 ℃時(shí)效相比,530 ℃時(shí)效后片層 α 相分布更加均勻。 當(dāng)時(shí)效溫度升高到540 ℃和550 ℃時(shí)(如圖4(c,d)所示),片層 α 相厚度增大明顯,甚至開始出現(xiàn)合并生長(zhǎng)成厚片層 α相,片層間距也進(jìn)一步增大。 原始β晶粒內(nèi)部析出的片層 α 相大多相互垂直,也有少量的片層 α 相呈 60°交織。
綜上分析,隨著時(shí)效溫度的升高,合金內(nèi)部析出的次生 α 相片層尺寸呈增大趨勢(shì)。 過低溫度時(shí)效(520 ℃)后,合金組織中次生 α 相片層析出不完全,盡管次生 α相片層尺寸較為細(xì)小,但部分析出 α 相還沒有形成片層結(jié)構(gòu)。 過高溫度時(shí)效(550 ℃)后,合金組織中次生α 相片層長(zhǎng)大明顯、甚至粗化,片層厚度可達(dá) 0.5 μm。
只有合適的溫度時(shí)效(530 ℃)后,合金組織中才能析出均勻、細(xì)小的次生 α 相片層。 這種微觀組織也是該時(shí)效溫度(530 ℃)獲得最佳綜合力學(xué)性能的原因。
2.3 時(shí)效溫度對(duì)拉伸斷口形貌的影響
圖5(a,b)是TB18 鈦合金經(jīng)520 ℃和530 ℃時(shí)效的宏觀拉伸斷口形貌,圖 5(c,d)是對(duì)應(yīng)的微觀斷口形貌。 從圖 5(a,b)可以看出,合金拉伸斷口由纖維區(qū)、輻射區(qū)及剪切唇區(qū)組成,且纖維區(qū)占比較大。 一般來說,纖維區(qū)反映材料塑性變形,輻射區(qū)反映材料脆性變形,也即纖維區(qū)占比越大,材料塑性越好。 從宏觀斷口形貌來看,520 ℃和 530 ℃時(shí)效后合金塑性均一般,但530 ℃時(shí)效的纖維區(qū)占比略大,也就是 530 ℃ 時(shí)效比520 ℃時(shí)效后塑性略好。 進(jìn)一步對(duì) 520 ℃和 530 ℃時(shí)效后斷口纖維區(qū)進(jìn)行高倍 SEM 觀察,如圖 5(c,d)所示。 從圖 5(c,d)可以看出,520 ℃和 530 ℃時(shí)效后斷口均分布著大量細(xì)小韌窩,斷口出現(xiàn)大量韌窩是合金塑性斷裂的典型特征。 此外,530 ℃ 比 520 ℃ 時(shí)效后的斷口韌窩更深,說明 530 ℃比 520 ℃時(shí)效后的塑性更好,與拉伸性能數(shù)據(jù)一致。
3、結(jié)論
1) 隨著時(shí)效溫度升高,TB18 鈦合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度不斷降低,伸長(zhǎng)率和斷面收縮率提高。 從強(qiáng)度和塑性綜合考慮,當(dāng)時(shí)效溫度為 530 ℃時(shí),TB18 鈦合金的綜合力學(xué)性能最好。 此時(shí)抗拉強(qiáng)度為1285.5 MPa,屈服強(qiáng)度為 1206 MPa,伸長(zhǎng)率為7.8%,斷面收縮率為16%。
2)TB18 鈦合金鍛態(tài)是典型的等軸組織,經(jīng)870 ℃×2h 空冷固溶處理后為等軸β晶粒,晶粒尺寸為 200 ~250 μm。
3)TB18 鈦合金經(jīng)不同溫度時(shí)效后,次生 α 相的微觀形貌相似,均為片層狀,α 相片層縱橫交錯(cuò)。 隨著時(shí)效溫度的升高,合金內(nèi)部析出的次生 α 相片層尺寸呈增大趨勢(shì)。
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