分享:熱處理對航空緊固件用TC16鈦合金棒材組織性能的影響
TC16鈦合金是21世紀(jì)初中國在俄制BT16鈦合金成分設(shè)計基礎(chǔ)上開發(fā)的一種具有良好工藝塑性的鈦合金材料,屬于α+β兩相鈦合金,名義成分為Ti?3Al?5Mo?4.5V,相變點在840~880 °C,β穩(wěn)定系數(shù)為0.83,具有高塑性、高強度、良好淬透性、優(yōu)異的冷鐓成型性,同時具有抗疲勞和焊接性能好,對應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點。其中較低的Al提高了合金的強度和熱強性,并可使其在退火和淬火狀態(tài)下具有良好的塑性,較高的Mo和V使得其淬火并時效熱處理后具有較高強度[1]。該合金不僅可以熱鐓成型還具有良好的冷鐓性能,是比較成熟的航天緊固件材料,目前廣泛用于航天設(shè)備上[2],用于關(guān)鍵部件和重要部位的連接與裝配,一架中型飛機(如國產(chǎn)C919)所用的緊固件的總重量可占飛機總質(zhì)量的5%~6%,可達(dá)200萬到300萬個[3]。圖1為TC16鈦合金緊固件及C919飛機。
TC16鈦合金常以冷鐓熱處理的方式進(jìn)行強化,故要求材料在退火態(tài)具良好的塑性,固溶時效態(tài)具有較高的強度。對比俄制BT16鈦合金,國產(chǎn)TC16鈦合金具有與其相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和工藝塑性,但是,冷鐓工藝還不夠成熟,無法實現(xiàn)量化生產(chǎn)。研究表明,材料的冷鐓變形能力與塑性、剪切強度及組織有關(guān)。且不同退火及固溶時效工藝對其組織及性能影響較大[4],因此,本文通過研究不同退火工藝及固溶時效工藝對TC16合金棒材組織、性能的影響規(guī)律,為緊固件用TC16合金國產(chǎn)化、批量化的研制及生產(chǎn)提供技術(shù)支持。
1. 實驗材料和方法
1.1 實驗材料
本次實驗所用材料是由寶雞鈦業(yè)股份有限公司經(jīng)多次次真空自耗熔煉的TC16合金鑄錠,坯料經(jīng)自由鍛+精鍛、粗軋+連軋等工序生產(chǎn)至?8.0 mm線材盤圓,其α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為856 °C。圖2為TC16鈦合金?8.0 mm棒材軋制態(tài)顯微組織,由圖2可以看出,棒材原始組織為細(xì)小的等軸初生+馬氏體α′′+β基體構(gòu)成,原始β晶界已完全破碎,初生α相體積分?jǐn)?shù)約為50%,且α相為短棒狀、針狀和顆粒狀。另外,顯微組織中存在少量片層狀的馬氏體α′′,這與軋制工藝及軋后冷卻方式有關(guān)。
1.2 實驗方法
在TC16鈦合金?8.0 mm盤圓線材上取樣,按照表1中的實驗方案進(jìn)行退火和固溶時效熱處理實驗,研究不同退火工藝和固溶時效工藝對棒材退火態(tài)及固溶時效態(tài)顯微組織和力學(xué)性能的影響,其中,F(xiàn)C為爐冷;AC為空冷;WQ為水淬。試樣經(jīng)熱處理后依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉伸實驗方法》加工、檢測室溫力學(xué)性能,依據(jù)GB/T5168—2020《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》中的方法加工、腐蝕后,并檢測、分析其顯微組織。
其中方案A1~A4研究不同退火溫度對棒材退火后顯微組織及室溫力學(xué)性能的影響,方案B1~B3研究不同固溶溫度對棒材固溶時效態(tài)組織性能的影響,方案B2、B4、B5、B6研究不同時效溫度對棒材固溶時效態(tài)組織性能的影響。
圖3為TC16鈦合金棒材不同退火溫度隨爐冷卻后的顯微組織,由圖3可以看出隨退火溫度的升高,顯微組織中初生α相的含量逐漸減少,晶粒逐漸長大。圖3(a)和3(b)分別為試樣在760和780 °C退火后的顯微組織,為α相和β相組成的彌散混合組織,平均晶粒大小為1.22 μm。圖3(c)和3(d)分別為試樣在800和820 °C退火后的顯微組織,由等軸初生α相與局部片層狀的次生α′′相及β基體組成,與圖3(a)和3(b)相比,圖3(c)和3(d)中的晶粒明顯長大,局部出現(xiàn)少量片層組織,平均晶粒尺寸由原來的1.22增加至1.33 μm。
圖4為不同退火溫度對TC16鈦合金棒材室溫性能的影響。
由圖4可以看出,隨退火溫度的升高(隨后慢冷)棒材抗拉強度、屈服強度、剪切強度均逐漸降低,伸長率逐漸升高,斷面收縮率先升高再降低。原因為在α+β兩相區(qū)退火時棒材發(fā)生了回復(fù)與再結(jié)晶,退火溫度越高再結(jié)晶后晶粒越粗大,棒材強度越低。在780 °C時棒材抗拉強度達(dá)到了840 MPa,斷面收縮率達(dá)到了最大值74%,研究表明斷面收縮率與材料冷鐓性能成正相關(guān),因此,在選擇TC16鈦合金退火工藝參數(shù)時要充分考慮到這一點,兼顧材料強度與塑性,特別是保證TC16鈦合金棒材的供貨狀態(tài)工藝性能—冷鐓性能[5],因此,TC16合金棒材最佳退火制度為780 °C保溫2 h,以2~4 °C/min爐冷至550 °C以下,空冷。
圖5為不同固溶溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織,圖中白色顆粒為初生α相,黑色部分為β基體(包括淬火保留下來的亞穩(wěn)定β相和α′′相)。由圖5(a)~5(c)可以看出,提高TC16鈦合金棒材在α+β相區(qū)淬火加熱溫度,其顯微組織中初生α相含量減少,β相含量增加,淬火后發(fā)生了亞穩(wěn)定β相向α′′相轉(zhuǎn)變。隨固溶溫度的升高,棒材固溶后淬火時保留的亞穩(wěn)定相β相和α′′含量就越多,隨后時效的強化效果也就越明顯。圖5(c)較圖5(a)和(b)其初生α相含量明顯減少,時效析出的針狀第二相含量增多。
圖6所示為不同固溶溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材室溫力學(xué)性能,可以看出,隨著固溶溫度升高,棒材固溶時效態(tài)的抗拉強度、屈服強度、剪切強度均升高,伸長率降低,斷面收縮率先升高再降低。在800 °C時棒材斷面收縮率達(dá)到了最高值74%,抗拉強度達(dá)到了1098 MPa,剪切強度達(dá)758 MPa,強度與塑性達(dá)到了最佳匹配,故TC16鈦合金棒材的最佳固溶制度為800 °C保溫2 h,水淬。
圖7所示為不同時效溫度固溶時效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織,由圖7可以看出,隨著時效溫度升高,固溶過程中保留的亞穩(wěn)定β相轉(zhuǎn)變而形成的質(zhì)點的彌散程度也各不相同,520 °C時效從亞穩(wěn)定β相分解的第二相比較彌散,如圖7(a)所示。隨著時效溫度的升高,彌散析出的第二相質(zhì)點開始聚集,如圖7(c)和7(d)所示,研究表明TC16鈦合金亞穩(wěn)定相分解從350~400 °C開始,500 °C時效后亞穩(wěn)定β相完全分解,但穩(wěn)定化β相的鉬、釩含量比在較低溫度下得到平衡的β相的少[1]。
圖8為時效溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態(tài)室溫力學(xué)性能的影響,由圖8可以看出,隨著時效溫度的升高,棒材的抗拉強度、屈服強度、剪切強度逐漸降低,伸長率逐漸升高,斷面收縮率先升高后降低。這是因為時效時亞穩(wěn)定β相分解引起時效強化,但隨著固溶溫度從520升高至580 °C彌散析出的質(zhì)點發(fā)生了較大程度的聚集,使得強度逐漸降低,塑性升高。時效溫度為560 °C時棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值74%,抗拉強度達(dá)到了1098 MPa,剪切強度達(dá)到了758 MPa。因此,800 °C固溶后經(jīng)560 °C保溫8 h時效,可以使TC16鈦合金棒材強度和塑性達(dá)到最佳匹配。
(1)TC16鈦合金棒材在退火后以2~4 °C/min爐冷的冷卻速度不變的情況下,隨退火溫度的升高,組織中初生α相含量減少、平均晶粒尺寸增加,棒材的抗拉強度、屈服強度、剪切強度均降低,伸長率略有升高,斷面收縮率先升高后降低。780 °C退火后棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值。
(2)在時效溫度不變的情況下,隨固溶溫度的升高,TC16合金棒材固溶時效后組織中初生α相含量減少,次生相含量增加,室溫拉伸強度、剪切強度升高,伸長率降低,斷面收縮率先升高再降低,在800 °C時達(dá)到了最高值。
(3)在固溶溫度不變的情況下,隨著時效溫度的升高,TC16合金棒材組織中的彌散析出的第二相開始聚集,室溫拉伸強度、剪切強度降低,伸長率升高,斷面收縮率先升高再降低。經(jīng)“800 °C保溫2 h,水淬+560 °C保溫8 h,空冷”固溶時效處理后棒材抗拉強度達(dá)到了1100 MPa,斷面收縮率達(dá)到了74%,強度和塑性達(dá)到了最佳匹配,為TC16鈦合金棒材的最佳固溶時效制度。
文章來源——金屬世界
2. 實驗結(jié)果與分析
2.1 退火溫度對TC16鈦合金棒材組織性能的影響
2.1.1 退火溫度對TC16鈦合金組織的影響
2.1.2 退火溫度對TC16鈦合金性能的影響
2.2 固溶溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態(tài)組織和性能的影響
2.2.1 固溶溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態(tài)組織的影響
2.2.2 固溶溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效后性能的影響
2.3 時效溫度對TC16鈦合金棒材固溶時效態(tài)組織性能的影響
2.3.1 時效溫度對TC16鈦合金棒材組織的影響
2.3.2 時效溫度對TC16鈦合金棒材性能的影響
3. 結(jié)論