冷熱循環(huán)處理對(duì)TC18鈦合金力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響

朱增輝，胡生雙，楊 平，王文博，史春玲，歐陽德來

(1.航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)(2.南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

0 引 言

TC18 鈦合金(名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)屬于近β型高強(qiáng)鈦合金[1]，具有高強(qiáng)度、高塑性、淬透性好和可焊接等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)熱處理強(qiáng)化后強(qiáng)度可達(dá)1 300 MPa以上，是退火態(tài)強(qiáng)度最高的鈦合金之一[2]。用TC18鈦合金代替高強(qiáng)鋼，可使飛機(jī)關(guān)鍵零件減重15%～20%，而且可通過熱處理來獲得強(qiáng)度、塑性與斷裂韌性的合理匹配，特別適用于制造大型航空器鍛件[3]。

目前，針對(duì)TC18鈦合金的研究主要集中在鍛造工藝[4-6]、熱處理強(qiáng)化[7-8]、本構(gòu)模型[9-11]等方面。例如，王曉燕等[12]優(yōu)化了TC18鈦合金等溫鍛造溫度，認(rèn)為該合金在860 ℃等溫鍛造時(shí)，顯微組織為雙態(tài)組織，強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳配合。陳緹縈等[5]獲得了TC18鈦合金適宜的熱加工條件：變形溫度為700～850 ℃，應(yīng)變速率為0.01～0.001 s-1。孟笑影等[13]則研究了熱處理工藝對(duì)TC18鈦合金組織和性能的影響，認(rèn)為830 ℃固溶并緩冷至750 ℃后空冷，然后在600 ℃時(shí)效，TC18鈦合金鍛件的強(qiáng)度和斷裂韌性可得到最佳匹配。隨著航空飛行器的發(fā)展和對(duì)航空結(jié)構(gòu)件精度要求的提高，TC18鈦合金作為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料，對(duì)其制造的航空結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性提出了更高要求。冷熱循環(huán)處理是將試樣在高溫(400 K)下保溫一段時(shí)間，再在低溫下(約80 K)保溫一段時(shí)間的處理方法[14]。采用冷熱循環(huán)處理一方面可以提高某些合金的力學(xué)性能；另一方面，可以提高合金的尺寸穩(wěn)定性[15]。這種方法已在鋼鐵[16]和有色金屬(鋁合金[17]、銅合金[18]等)材料中獲得應(yīng)用。然而，有關(guān)通過冷熱循環(huán)處理來提高鈦合金尤其是TC18鈦合金力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的文獻(xiàn)鮮有報(bào)道[14]。為此，對(duì)TC18鈦合金進(jìn)行冷熱循環(huán)處理，研究冷熱循環(huán)處理對(duì)力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響，為該鈦合金構(gòu)件實(shí)際應(yīng)用中的尺寸穩(wěn)定性提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司提供的TC18鈦合金鍛件，其相變點(diǎn)為861 ℃。經(jīng)過毛坯下料、普通車床粗加工、數(shù)控車床精加工和線切割等工序加工制成沖擊、斷裂韌性、拉伸、圓環(huán)開口試樣。圖1為圓環(huán)開口試樣的尺寸示意圖。

圖1 圓環(huán)開口試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of ring opening specimen

對(duì)TC18鈦合金試樣進(jìn)行冷熱循環(huán)處理，即先深冷處理再加熱至150 ℃保溫3 h，循環(huán)多次。其中升降溫速率為2 ℃/min，循環(huán)處理過程中溫度變化至20 ℃時(shí)保溫30 min，以便使得升降溫過程中溫度更加均勻。具體的冷熱循環(huán)處理實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 TC18鈦合金冷熱循環(huán)處理實(shí)驗(yàn)方案

Table 1 Cold and heat cycle treatment test plan of TC18 titanium alloy

拉伸性能測試在AG 2501CNE拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊性能在JNS-300型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，斷裂韌性測試在MTS-SANS CMT500試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，硬度測試在SHBRV-187.5數(shù)顯布洛維硬度計(jì)上進(jìn)行，斷口微觀形貌觀察與分析在Hitachi S4300掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行，微觀組織觀察與分析在XJP-6A金相顯微鏡上進(jìn)行。采用VMS-1510G影像測量儀測量圓環(huán)開口試樣的兩壓痕中心間距，根據(jù)式(1)計(jì)算圓環(huán)開口尺寸變化率p，并用之衡量尺寸穩(wěn)定性。

(1)

式中，L0為圓環(huán)開口前兩側(cè)壓痕中心的間距，L開口后兩側(cè)壓痕中心的間距。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷熱循環(huán)處理對(duì)力學(xué)性能的影響

圖2為TC18鈦合金經(jīng)冷熱循環(huán)處理后的力學(xué)性能。從圖2可以看出，與未處理相比，冷熱循環(huán)處理后TC18鈦合金的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性及硬度等力學(xué)性能基本沒有變化，說明冷熱循環(huán)處理對(duì)合金的力學(xué)性能基本沒有影響。此外，在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，冷熱循環(huán)處理深冷溫度和循環(huán)處理次數(shù)對(duì)合金力學(xué)性能的影響也不大。

圖 2 不同工藝處理后TC18鈦合金力學(xué)性能測試結(jié)果Fig.2 Test results of mechanical properties of TC18 titanium alloy by different thermal-cold cycling treatment

為進(jìn)一步說明冷熱循環(huán)處理對(duì)合金力學(xué)性能的影響，觀察和分析不同冷熱循環(huán)處理工藝條件下TC18鈦合金斷裂韌性試樣宏觀斷口形貌和拉伸斷口SEM形貌，分別如圖3和圖4所示。宏觀斷口從右到左分為3個(gè)區(qū)：最右邊黑色區(qū)為機(jī)械加工缺口；中間白亮區(qū)為疲勞裂紋區(qū)；最左邊為裂紋撕裂區(qū)。從圖3中可以看出，冷熱循環(huán)處理對(duì)TC18鈦合金試樣疲勞裂紋區(qū)和失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)特征基本沒有影響，說明不同冷熱循環(huán)處理后合金組織對(duì)裂紋的擴(kuò)展阻力基本是一致的。此外，冷熱循環(huán)處理后合金拉伸斷口均為具有解理特征的韌窩型斷口特征，斷口表面存在大量的顯微孔洞和二次裂紋，整個(gè)斷口表面粗糙、凹凸不平，失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)也沒有出現(xiàn)明顯的放射紋，說明冷熱循環(huán)處理后合金呈現(xiàn)出良好的阻止裂紋擴(kuò)展能力和較高的斷裂韌性。這與合金斷裂韌性測試結(jié)果相符合。

圖 3 不同工藝處理后TC18鈦合金斷裂韌性試樣的宏觀斷口形貌Fig.3 Macroscopic fracture morphologies of fracture toughness specimens of TC18 titanium alloy by different thermal-cold cycling treatments:(a)0#; (b)1#; (c)2#; (d)3#;(e)4#;(f)5#;(g)6#;(h)7#;(i)8#;(j)9#

圖4 不同工藝處理后TC18鈦合金拉伸斷口的SEM形貌Fig.4 SEM images of tensile fracture of TC18 titanium alloy by different thermal-cold cycling treatments:(a)0#;(b)1#;(c)2#;(d)3#;(e)4#;(f)5#;(g)6#;(h)7#;(i)8#;(j)9#

從圖4可以看出，TC18鈦合金拉伸斷口形貌中出現(xiàn)了大量均勻分布的網(wǎng)狀韌窩，韌窩深度較深，說明合金表現(xiàn)為良好的塑性斷裂特征，這與合金拉伸測試時(shí)表現(xiàn)出較高拉伸強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度約為1 100 MPa)和塑性(延伸率約為15%)是相吻合的。從不同冷熱循環(huán)工藝處理合金斷口形貌的韌窩大小和數(shù)量看，均沒有存在明顯差別，說明冷熱循環(huán)處理對(duì)合金拉伸性能基本沒有影響，這與拉伸測試結(jié)果相符。

2.2 冷熱循環(huán)處理對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響

圖5為TC18鈦合金經(jīng)冷熱循環(huán)處理后的尺寸變化率測試結(jié)果。從圖5中可以看出，冷熱循環(huán)處理對(duì)合金尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響。未冷熱循環(huán)處理時(shí)，合金開口后尺寸變化率相對(duì)較大，約為-5.2%。合金經(jīng)1#、2#、4#、5#、8#工藝?yán)錈嵫h(huán)處理后均比未冷熱循環(huán)處理圓環(huán)的尺寸變化率減小。其中，經(jīng)4#工藝處理后，尺寸穩(wěn)定性最好，此時(shí)尺寸變化率約為-4.5%，與未冷熱循環(huán)處理相比降低了13.6%。這說明TC18鈦合金在冷熱循環(huán)過程中產(chǎn)生微塑性變形而降低其內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而增加其尺寸穩(wěn)定性。而經(jīng)3#、6#、7#、9#工藝?yán)錈嵫h(huán)處理后反而比未冷熱循環(huán)處理圓環(huán)的尺寸變化率增大。其中經(jīng)3#工藝處理后，尺寸變化率最大，約為-5.7%，與未冷熱循環(huán)處理相比增加了9.6%。這說明過低的深冷處理溫度反而對(duì)合金尺寸穩(wěn)定性不利，且在過低深冷溫度下的保溫時(shí)間越長，圓環(huán)開口尺寸變化率越大，尺寸穩(wěn)定性越差。這是由于TC18鈦合金為α+β型雙相合金，其組織中的α相和β相線膨脹系數(shù)不同，過低深冷溫度和較長保溫時(shí)間會(huì)引起較為嚴(yán)重的晶格畸變，并由晶格畸變所引起的內(nèi)應(yīng)力本身超過了材料的屈服強(qiáng)度，反而使材料微觀內(nèi)應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致尺寸變化率增大，降低了合金的尺寸穩(wěn)定性。值得注意的是，因圓環(huán)試樣開口后殘余應(yīng)力會(huì)立刻釋放，故在本實(shí)驗(yàn)的所有冷熱循環(huán)處理?xiàng)l件下圓環(huán)開口尺寸變化率隨時(shí)間延長基本保持不變。

圖5 不同工藝處理后TC18鈦合金圓環(huán)開口尺寸變化率隨時(shí)間的變化Fig.5 The time-dependent change of the ring dimensional change rate of TC18 titanium alloy at different thermal-cold cycling treatment

3 結(jié) 論

(1)冷熱循環(huán)處理對(duì)TC18鈦合金的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性及硬度等力學(xué)性能影響不大，但對(duì)尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響。

(2)TC18鈦合金合金經(jīng)4#工藝( -120 ℃×24 h，3次)冷熱循環(huán)處理后，尺寸變化率最小，與未冷熱循環(huán)處理相比降低了13.6%，而經(jīng)3#工藝(-180 ℃×36 h，3次)處理后，尺寸變化率最大，與未冷熱循環(huán)處理相比增加了9.6%。

(3)過低的深冷處理溫度反而對(duì)合金尺寸穩(wěn)定性不利，且在過低深冷溫度下的保溫時(shí)間越長，圓環(huán)開口尺寸變化率越大，尺寸穩(wěn)定性越差。