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  • 熱處理制度對TB3鈦合金棒組織及性能的影響

    發(fā)布時間: 2024-10-25 11:21:33    瀏覽次數(shù):

    鈦合金是當代飛機和航空發(fā)動機的主要結構材料之一,對于減輕飛機的質(zhì)量,提高飛機推重比,增加飛行距離和減少燃料費用等都具有十分重要的意義[1]。隨著我國航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展,飛行器緊固件、彈性組件及主要承力結構件對其材料的需求更為突出地集中于耐蝕、輕質(zhì)、高強,所以發(fā)展高強鈦合金材料及其加工工藝對我國航空航天工業(yè)的發(fā)展具有積極的推動作用。

    TB3是一種可熱處理強化的亞穩(wěn)定β型鈦合金,該合金的主要優(yōu)點是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能,其冷鐓比(Dt/D0)可達2.8,固溶+時效制處理后可獲得高的強度,主要用于制造使用溫度低于300℃的1100MPa級以上高強度航空航天緊固件[2]。本文利用熱處理工藝影響組織、而組織又決定性能這一規(guī)律,通過制訂不同的熱處理制度研究了TB3鈦合金力學性能的變化規(guī)律。

    1、實驗材料及方法

    1.1實驗材料

    實驗用TB3鈦合金鑄錠由西部鈦業(yè)有限責任公司自行生產(chǎn),其化學成分符合GB/T3620.1-2007規(guī)定[3]。鑄錠經(jīng)β區(qū)和(α+β)區(qū)加熱鍛造成準100mm規(guī)格棒材,然后在(α+β)區(qū)加熱軋制成準16mm規(guī)格小棒,采用差熱分析法測定該合金的(α+β)→β相變點為756℃。

    1.2實驗方法

    分別選定三種固溶溫度及三種時效溫度。TB3鈦合金棒材軋制完成后,切取試樣并按預先選定的熱處理制度進行處理,選定熱處理制度見表1。

    b1.jpg

    TB3鈦合金試樣按照以上表1中預先制訂的熱處理制度處理后,分別進行了顯微組織觀察及力學性能試驗。顯微組織觀察在Olympus/PMG3型光學顯微鏡上進行,室溫拉伸性能測試在INSTRON型電子萬能試驗機上進行。

    2、實驗結果與分析

    2.1TB3鈦合金顯微組織

    TB3鈦合金試樣經(jīng)固溶及固溶+時效處理后顯微組織如圖1所示。可看出,TB3鈦合金在(α+β)→β轉變溫度以上固溶處理后,合金顯微組織為單一的β晶粒,隨固溶加熱溫度的升高,合金晶粒明顯長大,但晶內(nèi)殘余的第二相質(zhì)點數(shù)量明顯減少。TB3鈦合金固溶處理并時效處理后,合金顯微組織中β晶界及晶粒內(nèi)部均勻彌散析出大量的α相。

    t1.jpg

    2.2TB3鈦合金力學性能

    TB3鈦合金試樣經(jīng)不同熱處理制度處理后的室溫拉伸性能測試結果見表2。

    b2.jpg

    分析表2試驗數(shù)據(jù)可看出,TB3鈦合金經(jīng)800、810和820℃固溶處理后,其抗拉強度隨固溶溫度升高而降低,塑性隨固溶溫度升高而升高。這主要是因為,TB3鈦合金在(α+β)→β轉變溫度以上進行固溶處理時,隨固溶溫度的升高,合金的固溶度增大,其中殘存的第二相質(zhì)點越來越少(從不同溫度固溶后顯微組織照片可以明顯看出),以致彌散強化作用也就越來越小,所以宏觀上表現(xiàn)為隨固溶溫度升高合金強度下降、塑性上升。

    同時可以看出,TB3鈦合金在(α+β)→β轉變溫度以上固溶處理后,可以獲得較高的強度和十分優(yōu)異的塑性,這十分有利于合金的冷加工,如標準件加工的冷鐓等。

    分析表2試驗數(shù)據(jù)還可看出,TB3鈦合金經(jīng)810℃固溶,并經(jīng)530、540和550℃時效后,合金室溫拉伸性能與時效溫度的變化有著十分明顯的規(guī)律,隨時效溫度的升高,合金的抗拉強度明顯降低,從最高的1300MPa降至1210MPa,但合金塑性明顯增高,斷面收縮率從最低的29%增到最高的37%。這主要是隨時效溫度的升高,從β基體中析出的α相粗化,未沉淀區(qū)面積增大,晶界、晶內(nèi)網(wǎng)狀物析出現(xiàn)象減輕或消除,所以合金塑性增加[4]。但同時晶內(nèi)彌散質(zhì)點減少,彌散強化減弱,合金強度降低。

    固溶溫度決定了組織中介穩(wěn)定β相(α'、α''、β過冷等)的成分和數(shù)量,對合金固溶狀態(tài)下的強度、塑性有較大影響,但時效溫度對最終產(chǎn)品性能的影響比固溶溫度更為敏感。因此,對于亞穩(wěn)定β型鈦合金而言,選擇時效溫度要慎之又慎。時效溫度太高,析出的α相粗大,強化效果差,而且高溫下合金中共析元素(Fe等)易出現(xiàn)共析反應生成金屬間化合物,從而使合金變脆。時效溫度太低,轉變速度較慢,所需時效保溫時間長,時效時間太長容易形成硬度高、脆性大的ω相,又會使合金變脆。在530~550℃時效,每升降10℃所引起的抗拉強度平均降低35MPa左右??梢姡瑢τ趤喎€(wěn)定β型鈦合金需選擇精度較高的電爐進行時效處理,否則對性能波動較大。

    可看出,TB3鈦合金在(α+β)→β轉變溫度以上固溶處理后,可以獲得較高的強度和優(yōu)異的塑性,非常有利于合金的冷加工,合金在固溶并時效后,通過調(diào)整時效溫度的高低,可以獲得符合要求的強度、塑性匹配,以滿足不同服役條件的零件需求。

    3、結論

    (1)TB3鈦合金在(α+β)→β轉變溫度以上固溶時,獲得的組織為單一的等軸β晶粒,且隨固溶溫度升高,合金強度降低、塑性升高。

    (2)時效溫度對TB3鈦合金的室溫拉伸性能影響非常明顯,隨時效溫度的升高,合金強度明顯降低,但塑性顯著增加。

    (3)TB3鈦合金經(jīng)800~820℃固溶后,具有較高的強度和優(yōu)異的塑性,經(jīng)550℃時效后,可獲得抗拉強度大于1200MPa,伸長率大于10%的優(yōu)異綜合性能。

    參考文獻:

    [1]張利軍,田軍強,周中波,等.熱處理制度對TC21鈦合金鍛件組織及力學性能的影響[J].中國材料進展,2009,28(9-10):84-87.

    [2]中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社,2002.

    [3]GB/T3620.1-2007.鈦及鈦合金牌號和化學成分[S].

    [4]王晶,韓洪武,閻彩文.熱處理對TB5板材組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2008,37(增刊3):671-673.

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