TC4鈦合金棒材的高溫蠕變性能

李 榮,張雪華,武晶晶,李正佳

(西部金屬材料股份有限公司,寶雞721014)

TC4鈦合金棒材的高溫蠕變性能

李 榮,張雪華,武晶晶,李正佳

(西部金屬材料股份有限公司,寶雞721014)

伴隨著航空工業(yè)的發(fā)展,高溫鈦合金的需求也持續(xù)增長(zhǎng),其高溫蠕變性能直接影響著材料的研發(fā)和使用。試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)階段應(yīng)用范圍最廣的TC4鈦合金棒材進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn),分析了在400℃及一定殘余變形條件下,該材料的總延伸率、殘余變形應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明:在400℃時(shí),TC4鈦合金棒材的蠕變穩(wěn)定過(guò)程所需時(shí)間隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加而變短;穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加而增大;在規(guī)定0.1%和0.2%殘余變形的條件下,試驗(yàn)階段內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)力與試驗(yàn)時(shí)間在取對(duì)數(shù)的情況下呈近似線性關(guān)系。

TC4鈦合金;蠕變性能;總延伸率;應(yīng)力;時(shí)間

伴隨著航空工業(yè)的發(fā)展,高端高溫合金的需求也日益旺盛。高溫鈦合金由于其比強(qiáng)度高的特點(diǎn),在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。尤其是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)應(yīng)用高溫鈦合金,可以減小發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量,提高燃油輸出功率,減小噪聲。國(guó)內(nèi)外主要的高溫鈦合金有美國(guó)的Ti-1000、英國(guó)的IMI834、俄羅斯的BT36和中國(guó)的Ti600等,這些鈦合金在高溫下都具備較高的瞬時(shí)強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度[1-2]。

高性能TC4鈦合金棒材作為現(xiàn)階段應(yīng)用范圍最廣的高強(qiáng)度鈦合金型材,通過(guò)改變其合金元素含量,改進(jìn)加工工藝,可以獲取更好的高溫性能,這在實(shí)際生產(chǎn)和研發(fā)中具有重要的意義。對(duì)于不同成分及加工工藝的TC4鈦合金,測(cè)試其是否具有符合實(shí)際生產(chǎn)規(guī)定的蠕變性能也具有重要的意義。

由于現(xiàn)階段TC4鈦合金主要在400℃下服役,筆者測(cè)試了其在該溫度下的多應(yīng)力蠕變數(shù)據(jù),繪制在一定殘余變形下的時(shí)間-應(yīng)力曲線,并對(duì)TC4鈦合金的蠕變性能進(jìn)行了分析討論。

1 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

一般的蠕變?cè)囼?yàn)是在一定溫度下,沿試樣的軸線方向施加恒定拉應(yīng)力并保持一定的時(shí)間,以獲得試樣產(chǎn)生的總伸長(zhǎng)或殘余伸長(zhǎng)[3]及蠕變斷裂時(shí)間。

該文中的蠕變區(qū)間曲線是指,在規(guī)定的試驗(yàn)溫度、規(guī)定的蠕變殘余變形的前提下,建立階段試驗(yàn)應(yīng)力與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)方法

鑒于現(xiàn)有的TC4鈦合金棒材的主要使用溫度為400℃,界定失效條件為0.1%蠕變殘余變形(35 h)和0.2%蠕變殘余變形(100 h)[4-5]。選用原始直徑為20 mm的TC4鈦合金棒材,經(jīng)熱處理(780℃保溫1.5 h后空冷)后加工成直徑為10 mm的蠕變?cè)嚇?在RD2型蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn),試驗(yàn)機(jī)力值精度0.5級(jí),同軸度偏差小于6%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于以上各種試驗(yàn)數(shù)據(jù),測(cè)試該試樣在400℃時(shí)各應(yīng)力下的總延伸率與時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果見圖1。對(duì)圖1的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,可得400℃下TC4鈦合金的彈性變形,結(jié)果見表1。

圖1 400℃時(shí)TC4鈦合金棒材總延伸率和時(shí)間曲線Fig.1 Curves of total elongation and time of TC titanium alloy bars at 400℃

表1 400℃時(shí)不同應(yīng)力下TC4鈦合金棒材的彈性變形Tab.1 Elastic deformation of the TC4 titanium alloy bars under different stress at 400℃

由于蠕變?cè)囼?yàn)中總延伸率是由塑形變形與彈性變形組成,蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中可直接測(cè)得的只有總延伸率,假定蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中在應(yīng)力一定的情況下彈性變形不變。利用表1的數(shù)據(jù),測(cè)定規(guī)定0.1%和0.2%殘余變形的條件下觀察總延伸率的數(shù)值,選擇終止試驗(yàn)時(shí)間。所得到的應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間見表2,依據(jù)該結(jié)果,繪制在規(guī)定溫度下規(guī)定殘余變形的應(yīng)力與時(shí)間曲線,見圖2。

表2 400℃時(shí)TC4鈦合金棒材蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Creep test data of TC4 titanium alloy bars at 400℃

圖2 400℃時(shí)TC4鈦合金棒材蠕變殘余變形應(yīng)力和時(shí)間曲線Fig.2 Curves of residual deformation stress and time of TC4 titanium alloy bars at 400℃

2.2 討論

圖3反映了一般蠕變?cè)囼?yàn)3個(gè)階段的典型曲線, 3個(gè)階段分別為:①I階段,加速度減小、速度增大直至加速度為零、速度恒定,曲線表現(xiàn)為斜率變小且趨勢(shì)變緩;②II階段,加速度為零,速度恒定增大,曲線表現(xiàn)為斜率恒定;③III階段,加速度變大,速度增大至試樣斷裂,曲線表現(xiàn)為斜率變大且趨勢(shì)加快[5]。

該試驗(yàn)中,圖1所示的總延伸率和時(shí)間曲線明顯處于典型曲線的I～I(xiàn)I階段。分析各應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)曲線可見,伴隨著應(yīng)力增加,曲線斜率增大,斜率變定值的時(shí)間變長(zhǎng)。對(duì)照蠕變?cè)囼?yàn)的曲線特點(diǎn)可知,在該試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)應(yīng)力條件下,蠕變?cè)囼?yàn)發(fā)生在蠕變的I～I(xiàn)I階段,伴隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加,蠕變I階段時(shí)間變長(zhǎng),II階段的穩(wěn)態(tài)蠕變速率變大。

依據(jù)總延伸率為彈性變形與塑形變形之和的原理,在規(guī)定蠕變殘余變形為0.1%和0.2%的前提下,測(cè)定選擇試驗(yàn)的終止時(shí)間。在試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)試所得的塑形變形均在0.1%±0.005%和0.2%± 0.008%,在各個(gè)應(yīng)力條件下均完成了6個(gè)試驗(yàn),雖然試驗(yàn)時(shí)間均有差別,但試驗(yàn)所得的塑形變形相對(duì)變化不大。因此試驗(yàn)結(jié)果表明,在該試驗(yàn)條件下, TC4鈦合金棒材的彈性變形在一定應(yīng)力下不隨時(shí)間的增加而變化。

圖3 一般蠕變?cè)囼?yàn)的總延伸率和時(shí)間曲線Fig.3 Curve of total elongation and time of general creep tests

對(duì)圖2中的時(shí)間和應(yīng)力數(shù)值取對(duì)數(shù)后發(fā)現(xiàn),應(yīng)力和時(shí)間成近線性關(guān)系,依據(jù)圖2中的曲線關(guān)系,可在規(guī)定時(shí)蠕變殘余變形為0.1%和0.2%的前提下獲取一定應(yīng)力下TC4鈦合金的安全服役時(shí)間,或預(yù)期服役時(shí)間下的安全應(yīng)力。

鑒于TC4鈦合金棒材高溫使用環(huán)境的一致性,以及其高溫變形行為的一致性[5-7],在測(cè)定其他TC4鈦合金棒材的蠕變性能時(shí)可參照該方法。

3 結(jié)論

(1)TC4鈦合金棒材的蠕變穩(wěn)定過(guò)程所需時(shí)間隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增加而變短,穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著試驗(yàn)應(yīng)力的增大而變大。

(2)TC4鈦合金棒材在400℃、規(guī)定0.1%和0.2%殘余變形的條件下,試驗(yàn)階段內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)力與試驗(yàn)時(shí)間在坐標(biāo)值取對(duì)數(shù)的情況下成近似線性關(guān)系。在一定試驗(yàn)應(yīng)力的條件下,彈性變形不隨試驗(yàn)時(shí)間的變化而變化。

(3)在有限試樣條件下,可利用該方法測(cè)定TC4鈦合金棒材在規(guī)定使用條件下的蠕變性能。

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Creep Property of TC4 Titanium Alloy Bars at High Temperature

LI Rong,ZHANG Xue-hua,WU Jing-jing,LI Zheng-jia
(Western Metal Materials Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)

With the development of aviation industry,the demand of high-temperature titanium alloy continues to grow,and its creep property at high temperature directly affects the development and use of this material.The creep tests carried out on the TC4 titanium alloy bars which had the widest application range.The relationship of total elongation,residual deformation stress and the time of this material was analyzed under the condition of 400℃and certain residual deformation.The results show that:at the temperature of 400℃,the time required for the creep stability of TC4 titanium bars at 400℃got shorter with the increase of test stress;the steady creep strain rate increased with the increase of test stress;under the condition of the specified residual deformation of 0.1%and 0.2%,the test stress had a approximate linear relation with the test time in the test stage after taking logarithm.

TC4 titanium alloy;creep property;total elongation;stress;time

TG115.5+7

:A

:1001-4012(2017)01-0014-03

10.11973/lhjy-wl201701004

2016-08-09

李榮(1984—),男,工程師,主要從事稀有金屬檢測(cè)及工藝評(píng)估工作,273647279＠qq.com。