顯微組織對TC4ELI鈦合金常溫拉伸蠕變行為影響研究

李有華，楊蓉，慶達嘎，文志剛

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

隨著時代的發(fā)展，海洋資源開采、海洋科學探索和海洋權益維護對深海裝備的需求越來越大，相應的對深海裝備的工作深度和工作能力也提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的鋼制耐壓結構已經越來越難以滿足深海裝備對容重比的要求，而鈦合金以其具有高比強度、耐腐蝕、低磁性等諸多優(yōu)點[1]，在深海耐壓結構中替代傳統(tǒng)材料有明顯的優(yōu)勢，并已經在深海潛水器中得到了成功運用。

蠕變是指當固體受到恒定的外力作用時，其應力與變形隨時間變化的現(xiàn)象[2]，王金友[3]等通過研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V鈦合金在400℃高溫，30公斤力/mm2，加載時間100小時的情況下，網籃組織比等軸組織有較好的蠕變抗力。Fentiman W P等[4]指出顯微組織中的條狀T比等軸T有較好的抗蠕變能力。H.Tanak[5]等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，CP-Ti和鈦合金（Ti-6Al-4V）在室溫下應力水平低于屈服應力時，依然會發(fā)生明顯的蠕變變形，所以鈦合金在無論是受拉或耐壓結構材料使用過程中必須考慮其蠕變特性。一些重要的外在因素，如加載應力、加載時間、組織結構等對合金的蠕變性能均有影響，而目前國內外對TC4ELI鈦合金不同顯微組織的常溫拉伸蠕變特性研究報道較少，本文將重點研究雙態(tài)組織和網籃組織兩種不同形態(tài)顯微組織在不同加載應力條件下的常溫拉伸蠕變特性，獲得TC4ELI鈦合金材料的蠕變應變-時間曲線，為今后TC4ELI鈦合金結構材料對顯微組織的選擇提供依據(jù)。

圖1 TC4ELI鈦合金原始顯微組織

圖2 常溫拉伸蠕變試樣圖

表1 TC4ELl鈦合金橫向室溫拉伸力學性能

表2 不同顯微組織TC4ELl鈦合金常溫拉伸蠕變測試結果

1 實驗材料和方法

實驗用的原材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司經過三次真空自耗電弧爐熔煉的TC4ELI鈦合金鑄錠，鑄錠規(guī)格Φ820mm，其主要化學成分（質量分數(shù)，%）為6.2Al，4.2V，余量為Ti，相變點為991℃。經兩種不同軋制工藝獲得22mm厚度規(guī)格合金厚板，原始顯微組織分別為雙態(tài)組織和網籃組織，如圖1所示。

拉伸蠕變試樣機加和試驗方法按照《GB/T2039-1997金屬材料 單向拉伸蠕變試驗方法》，試驗在RD-50型蠕變試驗機上進行，加載應力為0.6Rp0.2和0.8Rp0.2，保載時間150h后，繪制蠕變應變-時間曲線。

常溫拉伸和壓縮蠕變的試樣尺寸要求和實物如圖2所示，兩種顯微組織的橫向室溫拉伸力學性能測試結果見表1。

2 結果與分析

2.1 常溫拉伸蠕變

TC4ELI鈦合金不同顯微組織在不同加載應力下的拉伸蠕變應變-時間曲線如圖3所示，常溫拉伸蠕變測試結果見表2。從表2可以看出，在加載應力為0.6Rp0.2，保載時間為150h的條件下，TC4ELI鈦合金網籃組織的塑性伸長率為0，即沒有發(fā)生拉伸蠕變變形，雙態(tài)組織的塑性伸長率為0.001%，網籃組織的常溫拉伸蠕變性更好。在加載應力為0.8Rp0.2，保載時間為150h的條件下，TC4ELI鈦合金網籃組織的塑性伸長率比雙態(tài)組織的低0.006%，表現(xiàn)出更好的常溫拉伸蠕變性能。綜上所述，在相同加載應力的條件下，TC4ELI鈦合金網籃組織比雙態(tài)組織的常溫拉伸蠕變性能更好，主要是因為不同的組織形態(tài)具有不同的蠕變機制。雙態(tài)組織中滑移變形首先是從個別α晶粒中開始，隨著應變量增加，滑移將占據(jù)越來越多的α晶粒，隨后才向周圍的由α轉變的β晶粒擴展，所以蠕變空洞形核較遲，但是空洞一旦形核，即可迅速擴展而形成準解理斷裂；而在網籃組織中滑移易在晶界處產生嚴重的位錯塞積，從而促進了蠕變空洞的形核與發(fā)展，但是混亂交織的片狀α給蠕變滑移增加了難度，盡管空洞形核較早，但擴展困難，形成晶內損傷而呈現(xiàn)明顯的解理特征。同時，雙態(tài)組織和網籃組織的條束間界面相比，晶界α與基體之間的界面更易滑動和產生蠕變空洞，甚至沿晶開裂。因此，從宏觀上表現(xiàn)出網籃組織有更低的蠕變速率。

圖3 TC4ELI鈦合金在不同加載應力下的拉伸蠕變應變-時間曲線

3 結論

（1）在加載應力為0.6Rp0.2，保載時間為150h的條件下，TC4ELI鈦合金網籃組織的塑性伸長率為0，沒有發(fā)生拉伸蠕變變形，雙態(tài)組織的塑性伸長率為0.001%，網籃組織的常溫拉伸蠕變性能更好。

（2）在相同加載應力的條件下，TC4ELI鈦合金網籃組織比雙態(tài)組織的常溫拉伸蠕變性能更好，從宏觀上表現(xiàn)出網籃組織有更低的蠕變速率。