鍛造工藝對 Ti-6321合金棒材顯微組織與力學性能的影響

張 奕,庾高峰,杜予晅,雷錦文,唐曉東,劉向宏,張豐收

(西部超導材料科技有限公司,陜西 西安 710018)

鍛造工藝對 Ti-6321合金棒材顯微組織與力學性能的影響

張 奕,庾高峰,杜予晅,雷錦文,唐曉東,劉向宏,張豐收

(西部超導材料科技有限公司,陜西 西安 710018)

研究了不同鍛造工藝對 Ti-6321合金棒材組織與力學性能的影響。結(jié)果表明:Ti-6321合金棒材經(jīng)常規(guī)鍛造后為等軸組織,經(jīng)近β鍛造后為雙態(tài)組織,經(jīng)β鍛造后為網(wǎng)籃組織;雙態(tài)組織不僅具有與等軸組織和網(wǎng)籃組織相當?shù)膹姸群退苄?而且沖擊韌性可達到 850 kJ/m2以上,明顯高于等軸組織和網(wǎng)籃組織。

Ti-6321鈦合金;顯微組織;力學性能;沖擊韌性

1 前 言

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕、無磁性等優(yōu)點,是理想的海洋用金屬材料之一。在俄羅斯,鈦合金已經(jīng)被大量應(yīng)用于艦船工業(yè),甚至制造了全鈦的潛艇、深潛器。美國也制造了全鈦的深潛器。Ti-6321合金(Ti80合金)是我國自行研制的一種近α型鈦合金,名義成分為 Ti-6A l-3Nb-2Zr-1M o,具有中等室溫強度,良好的焊接性能和耐蝕性[1],是海水環(huán)境下的理想結(jié)構(gòu)材料。該合金主要應(yīng)用于潛艇和水中兵器的受力構(gòu)件、螺栓、軸以及耐壓殼體等[2-3]。目前,我國對 Ti-6321合金的研究主要集中于基礎(chǔ)理論研究和中試研究,而對于應(yīng)用研究相對較少。

艦船用結(jié)構(gòu)部件在使用中需要承受大的沖擊載荷,對 Ti-6321合金的沖擊韌性要求較高 (不小于585 kJ/m2),因此需要了解各種組織的 Ti-6321合金沖擊性能。本文通過不同熱加工工藝處理 Ti-6321合金棒材,以期獲得一種具有高的沖擊性能和良好的綜合性能匹配的顯微組織,為 Ti-6321合金棒材的工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

2 實驗材料及方法

實驗材料為西部超導材料科技有限公司經(jīng) 3次真空自耗電弧熔煉的 Ti-6321合金鑄錠。經(jīng)1 600 t壓機在相變點以上開坯鍛造,充分破碎鑄態(tài)組織后,分別采用在相變點以下的常規(guī)鍛造、近β鍛造、β鍛造 3種鍛造工藝將合金坯料鍛造成直徑為φ150mm的棒材。棒材經(jīng)900℃×2 h+空冷退火后,利用 ZW ICK/150萬能拉伸試驗機進行性能測試,并采用OLYM PUS立式金相顯微鏡對顯微組織進行觀察分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 棒材在不同鍛造工藝下的顯微組織

圖1為采用不同鍛造工藝獲得的 3種顯微組織。其中,常規(guī)鍛造工藝獲得了典型的等軸組織,轉(zhuǎn)變β基體上分布著等軸α相,等軸α相含量達到 80%以上,且等軸化程度較好;近β鍛造工藝獲得的組織為轉(zhuǎn)變β基體上分布著α相等軸組織,等軸α相含量達到 30%左右,轉(zhuǎn)變β基體中的α相平行成束,屬于典型的雙態(tài)組織;β鍛造工藝獲得了無等軸α相存在的網(wǎng)籃組織,轉(zhuǎn)變β基體上條狀的α相縱橫交織排列。

圖1 不同鍛造工工藝獲得的 Ti-6321合金金相照片: (a)常規(guī)鍛造;(b)近β鍛造;(c)β鍛造Fig.1 Metallographs of Ti-6321 alloy in different forging process:(a)normal forging;(b)nearβforging;(c) βfo rging

3.2 棒材在不同鍛造工藝下的力學性能

Ti-6321合金不同組織對應(yīng)的力學性能見表1。由表1可以看出,3種不同組織的抗拉強度和屈服強度基本處于同一水平:網(wǎng)籃組織的拉伸強度略高,而塑性略低;等軸組織和雙態(tài)組織的強度和塑性差別不大,等軸組織略高;3種組織的沖擊韌性差別較大,雙態(tài)組織的沖擊性能明顯高于網(wǎng)籃組織和等軸組織。

表1 Ti-6321合金 3種典型組織的力學性能Table 1 Mechanical properties of Ti-6321 alloy with three typical microstructures

3.3 組織與力學性能分析

根據(jù)塑性變形的相關(guān)理論,片狀組織和等軸組織都能使材料具有較好的強度和塑性,但等軸組織抵抗裂紋擴展的能力較弱,原因是裂紋易于穿過晶界或α片,沿著主裂紋運動方向擴展,因而造成等軸組織的沖擊韌性較低[4]。圖1a中等軸α相含量達到80%以上,這也與其沖擊性能較低相符。圖1b中既有等軸α,又有細小的片狀α,30%左右的等軸α晶粒起到變形協(xié)調(diào)作用,因此具有與等軸組織相當?shù)膹姸群退苄运?而 50%～60%網(wǎng)籃交織的細小片狀α能不斷改變裂紋擴展的方向,使得雙態(tài)組織表現(xiàn)出較高的沖擊韌性。研究認為雙態(tài)組織的綜合性能較好,不僅有較高的斷裂韌性,而且還能承受較大的變形抗力[5]。

網(wǎng)籃組織(見圖1c)在拉伸變形初期就會出現(xiàn)粗滑移帶和微區(qū)變形不均勻而促使空洞提前形成和發(fā)展,從而導致試樣過早斷裂,造成材料塑性較差。但網(wǎng)籃組織由于片狀α集束較多,而且方向不同,裂紋只能隨著α集束位向的變化不斷改變擴展方向,因而擴展路徑曲折,分支多,使其沖擊韌性較好。

4 結(jié) 論

(1)Ti-6321合金鑄錠經(jīng)常規(guī)鍛造得到等軸組織,經(jīng)近β鍛造得到雙態(tài)組織,經(jīng)β鍛造得到網(wǎng)籃組織。

(2)3種組織的抗拉強度和屈服強度基本處于同一水平,網(wǎng)籃組織的強度略高,而塑性略低,等軸組織和雙態(tài)組織的強度和塑性差別不大。

(3)雙態(tài)組織在保證一定的強度和塑性的同時,具有較高的沖擊韌性,可達到 850 kJ/m2以上,遠遠高于等軸組織和網(wǎng)籃組織。

[1]李梁,孫建科,孟祥軍.通過熱循環(huán)變形改善 Ti80合金的超塑性[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2005,20(6):1-8.

[2]蔣鵬,孟憲亮,劉茵琪,等.Ti80合金鍛造工藝對顯微組織和性能的影響 [J].稀有金屬材料與工程,2005, 34(增刊 3):286-288.

[3]曹振新,張必強,毛彭齡,等.STi80船用鈦合金研究[J].鈦工業(yè)進展,2003,20(6):22-25.

[4]于衛(wèi)敏,吳躍江,潘躍進.鍛造溫度對 BT25鈦合金組織和性能的影響[J].熱處理,2009,24(4):36-40.

[5]李曉芹.鍛造加熱溫度對 TC11合金組織性能的影響[J].熱加工工藝,1999(3):30-32.

Effect of Forging on Microstructuresand Mechanical Proper ties of Ti-6321 Alloy Bar

Zhang Yi,Yu Gaofeng,Du Yuxuan,Lei Jinw en,Tang Xiaodong,Liu Xianghong,Zhang Fengshou
(Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China)

The mechanical properties of Ti - 6321 alloy with three typical microstructures, i. e. equiaxed, basketweave and duplex microstructure have been investigated in this paper. The result shows that the strength and plasticity of Ti - 6321 alloy with duplex microstructure are equal to those of equiaxed microstructure, but the impact toughness of the former is much higher than that of equiaxed and basketweave microstructure.

Ti-6321 alloy;microstructure;mechanical properties;impact toughness

2010-06-12

張 奕(1981-),男,工程師,電話:029-86538739。