固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)TC4鈦合金強(qiáng)度的影響研究

樊開倫 劉文成 劉勇德 裴烈勇 戴愛麗

摘 要：合金主要在退火狀態(tài)下使用，也可以采用固溶時(shí)效處理進(jìn)行一定的強(qiáng)化。固溶時(shí)效工藝參數(shù)的選取對(duì)強(qiáng)化效果的影響非常重要，其中固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間長短直接影響固溶效果的好壞，從而影響時(shí)效沉淀強(qiáng)化效果。因此，本文通過6組試驗(yàn)，研究幾種不同的固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)合金強(qiáng)度的影響。

關(guān)鍵詞：固溶轉(zhuǎn)移;TC4鈦合金;強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TG166 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0079-01

TC4合金是一種中等強(qiáng)度的α+β型兩相鈦合金，含有6%α穩(wěn)定元素Al和4%β穩(wěn)定元素V。是我國為仿制美系航空器而試制的兩相鈦合金，相當(dāng)于美系鈦合金牌號(hào)Ti-6Al-4V。該合金具有優(yōu)異的綜合性能，在航空和航天工業(yè)中獲得了最廣泛的應(yīng)用。合金長時(shí)間工作溫度可達(dá)400℃，在航空工業(yè)中主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、螺栓、壓氣機(jī)盤及葉片以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭和隔壁框等重要承力構(gòu)件[1-2]。TC4鈦合金的主要半成品是棒材、鍛件、厚板、薄板、型材和絲材等。

1試驗(yàn)

本試驗(yàn)原材料為真空自耗電弧爐煉生產(chǎn)的TC4鈦合金棒材，規(guī)格為φ8.5mm、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB2219-94。合金化學(xué)成分見表1，等同于美系材料Ti-6Al-4V。

試驗(yàn)使用的設(shè)備有馬弗爐、真空回火爐、數(shù)控車床、滾絲機(jī)、拉伸試驗(yàn)機(jī)。所有試驗(yàn)TC4棒料進(jìn)行表面涂覆保護(hù)，固溶采用馬弗爐加熱，固溶參數(shù)955℃×1.5h，固溶結(jié)束后轉(zhuǎn)移至流動(dòng)水中進(jìn)行淬火，固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間見表2。所有試驗(yàn)時(shí)效采用真空回火爐同爐進(jìn)行時(shí)效，時(shí)效參數(shù)540℃×4h，時(shí)效結(jié)束后充氣冷卻。試驗(yàn)結(jié)束后各組材料均制造成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)檢測，拉伸試樣見圖1。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果：不同固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間下TC4拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值見表3，各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值變化曲線見圖2。結(jié)果表明，隨著固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間的延遲，合金強(qiáng)度逐漸降低，塑性略有升高。

（2）分析討論。TC4合金中鋁是基本元素，可以保證合金在常溫及高溫下的性能。釩作為β同晶型元素，賦予了TC4合金熱處理強(qiáng)化的能力。因此，TC4鈦合金在兩相區(qū)淬火+時(shí)效后其強(qiáng)度有明顯提升。GJB2219-94中規(guī)定TC4經(jīng)固溶（955℃±15℃，1h～2h，流水中冷卻）+時(shí)效（540℃±8℃，4h～8h，空冷）其性能可達(dá)σb≥1100MPa、σ0.2≥1000MPa、δ≥10、Ψ≥20。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于設(shè)備等原因?qū)е掳礃?biāo)準(zhǔn)制度熱處理后其強(qiáng)度指標(biāo)常不合格。我們都知道，材料的化學(xué)成分決定材料的組織，材料的組織決定材料的性能。熱處理就是為了改變材料內(nèi)部組織提升材料使用性能的熱加工工藝。根據(jù)TC4有關(guān)研究資料，TC4合金淬火轉(zhuǎn)移速度對(duì)強(qiáng)度的影響是主要的。TC4固溶后β馬氏體轉(zhuǎn)變組織α′相含量越高，時(shí)效后合金強(qiáng)度就越高。如圖3所示，一方面，隨著淬火時(shí)間的延長，從β相中析出了二次α相，使得β相飽和度降低，淬火轉(zhuǎn)變組織α′馬氏體含量減少，基體中的α相含量增多，導(dǎo)致時(shí)效后合金強(qiáng)度降低，塑性升高;另一方面，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms隨著淬火時(shí)間的延長而降低，引起β轉(zhuǎn)變不完全程度增加，導(dǎo)致β淬火轉(zhuǎn)變組織α′馬氏體的量減少，最終導(dǎo)致時(shí)效后合金強(qiáng)度降低、塑性提高?？傊S著固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長，實(shí)際固溶溫度與名義固溶溫度的差值越大，這不僅會(huì)有二次α相的不斷析出，而且β相的馬氏體轉(zhuǎn)變程度越不完全，最終導(dǎo)致時(shí)效后強(qiáng)度降低，塑性提高。因此，固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間的長短決定了TC4合金固溶效果的好壞，從而決定了時(shí)效后TC4強(qiáng)度的高低。

3結(jié)語

通過六組不同固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)，得出TC4合金的強(qiáng)度隨固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長而降低，塑性隨固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長而升高。保證TC4合金強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)鍵因素在于控制好固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間，越短越好。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)σb≥1100MPa的TC4鈦合金，建議固溶轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過3s。

參考文獻(xiàn)

[1] 《工程材料實(shí)用手冊(cè)》編輯委員會(huì).鈦合金 銅合金-工程材料實(shí)用手冊(cè)第2版[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2] 張翥，王群驕，莫畏.鈦的金屬學(xué)和熱處理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.