楊 娜,張明玉,于成泉,張 起,李生榮,顧忠明
(1.新疆湘潤新材料科技有限公司,新疆 哈密 839000;2.大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心,遼寧 大連 116028;3.長春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,長春 130000)
鈦及鈦合金具有眾多優(yōu)異特性,例如耐腐蝕性、耐低溫、無磁性和耐高溫等,在軍工、航海、航空和化工等領(lǐng)域都有廣泛使用[1-2]。TA10鈦合金的名義成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni,該合金是一種常見的近α型鈦合金,其具有良好的耐腐蝕性、焊接性能及熱變形性能,故該合金在石油化工、航空飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和海洋工程等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[3-4]。
因?yàn)門A10鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,故對其研究十分多元化,其中劉全明等[5]進(jìn)行了氫致TA10鈦合金焊接接頭斷裂韌度演變研究,該研究闡明了充氫含量對焊頭位置的斷裂方式、斷口形貌及斷裂韌度的影響,并分析了焊接接頭位置斷裂的微觀機(jī)理。蘇娟華等[6]研究了TA10鈦合金高溫流變行為及拉伸性能,得出了動態(tài)再結(jié)晶是該合金發(fā)生軟化機(jī)制的主要原因,并得出了流變曲線的最佳應(yīng)力峰值,確定了在800℃時(shí),應(yīng)變速率和動態(tài)再結(jié)晶的對應(yīng)關(guān)系,同時(shí)給出了不同溫度區(qū)間的變形溫度和強(qiáng)度關(guān)系。
雖然對TA10鈦合金的研究逐漸多元化,但工業(yè)生產(chǎn)中對組織與力學(xué)性能的研究仍是主流趨勢,本文通過對TA10鈦合金進(jìn)行不同溫度的固溶處理,分析不同溫度固溶對該合金微觀組織的影響,并分析了不同組織對合金力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系。
本試驗(yàn)選用的材料為新疆湘潤新材料科技有限公司提供的TA10鈦合金棒材,該合金由海綿鈦和Mo-Ni中間合金通過真空自耗熔煉爐2次熔煉制成鑄錠,隨后經(jīng)鍛造機(jī)多次鍛造而成,制成的TA10鈦合金的具體化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):0.28%Mo、0.75%Ni、0.06%O、0.072%Fe、Ti余量。通過連續(xù)升溫金相法測試該合金的相轉(zhuǎn)變溫度,最終測定本試驗(yàn)TA10鈦合金的相轉(zhuǎn)變溫度為890~895℃。原始TA10鈦合金的金相組織如圖1所示,該組織主要由初生α相構(gòu)成,并有一定數(shù)量的β轉(zhuǎn)變組織,在β轉(zhuǎn)變組織中存在細(xì)小的次生α相和少量位于次生α相之間的殘余β相。
圖1 原始TA10鈦合金棒材的金相組織
將TA10鈦合金進(jìn)行加工,隨后將加工完成的TA10鈦合金進(jìn)行不同溫度的固溶處理,固溶溫度根據(jù)相變點(diǎn)選擇兩相區(qū)與單向區(qū)加熱,具體固溶處理制度為:(860℃、880℃、900℃、920℃)×2 h/WQ,隨后將不同固溶處理后的TA10鈦合金進(jìn)行維氏硬度測試(HV5)與拉伸性能測試,并進(jìn)行金相組織觀察。本試驗(yàn)進(jìn)行固溶處理的設(shè)備為型號KSL的箱式電阻爐,觀察金相組織的光學(xué)顯微鏡型號為Axiomatic型金相顯微鏡,測試維氏硬度的設(shè)備型號為7MHVS維氏硬度計(jì),拉伸性能測試使用型號為Instron電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。
經(jīng)不同固溶溫度處理后的TA10鈦合金金相組織,如圖2所示。由圖2可知,相比原始TA10鈦合金金相組織,合金經(jīng)固溶處理后,組織發(fā)生較大變化,其中初生α相含量明顯減少,β轉(zhuǎn)變組織含量增加,析出大量次生α'相。當(dāng)固溶溫度為860℃時(shí),此時(shí)固溶溫度位于兩相區(qū),合金經(jīng)加熱處理后,組織中部分初生α相溶解到β基體中,在隨后的水冷過程中,組織中發(fā)生固態(tài)相變,β相會轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)定β基及次生α'相,此時(shí)組織中出現(xiàn)明顯的β轉(zhuǎn)變組織。當(dāng)固溶溫度升至880℃時(shí),此時(shí)溫度升高,組織的初生α相進(jìn)一步減少,而β轉(zhuǎn)變組織含量繼續(xù)增加,形成更多的次生α'相[7]。固溶溫度位于兩相區(qū)進(jìn)行水冷時(shí),組織中的α相由2部分構(gòu)成,一部分為組織中未溶解的原始α相,另一部分為在冷卻時(shí)β相發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成的α相。當(dāng)固溶溫度升至900℃時(shí),此時(shí)溫度已位于單相區(qū),組織中初生α相完全消失,組織形成粗大的β晶粒,并有明顯的β晶界,在β晶粒內(nèi)有大量的次生α'相均勻分布在其中,當(dāng)固溶溫度升至920℃時(shí),發(fā)現(xiàn)組織形貌與900℃時(shí)類似,均是由大量細(xì)針狀次生α'相構(gòu)成,但次生α'相體積有所增加,這是因?yàn)闇囟壬?,?dǎo)致合金中次生α'相逐漸長大所致,固溶溫度位于單相區(qū)進(jìn)行水冷時(shí),因?yàn)榇藭r(shí)組織中初生α相完全溶解,故組織中的α相由單一部分構(gòu)成,均為冷卻時(shí)β相發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成的α相[8]。
圖2 經(jīng)不同固溶溫度處理后的金相組織
經(jīng)不同固溶溫度處理后的TA10鈦合金的維氏硬度如圖3所示。由圖3可知,合金經(jīng)不同固溶溫度處理后,維氏硬度值均高于200 HV,隨著固溶溫度的升高,維氏硬度值不斷增加,經(jīng)單向區(qū)熱處理后的硬度高于兩相區(qū)。當(dāng)溫度達(dá)到相變點(diǎn)以上后,硬度值變化較少,經(jīng)4種固溶溫度處理后,在固溶溫度為920℃時(shí),其硬度值達(dá)到最大,最大值為240 HV。
圖3 經(jīng)不同固溶溫度處理后的維氏硬度
當(dāng)固溶溫度為860℃時(shí),經(jīng)測得組織中初生α相含量為44%;當(dāng)固溶溫度為880℃時(shí),經(jīng)測得組織中初生α相含量為16%,相比于具有六方馬氏體結(jié)構(gòu)的次生α'相而言,初生α相的硬度更低,因?yàn)闇囟壬撸M織中初生α相含量降低,次生α'相含量升高,硬度測試時(shí)較多的硬度值測試取自次生α'相,這是硬度升高的主要原因。當(dāng)固溶溫度升到900℃時(shí),組織中初生α相含量為0,測試硬度值來自次生α'相和殘余β相,導(dǎo)致合金硬度進(jìn)一步升高,當(dāng)固溶溫度為920℃時(shí),組織中次生α'相尺寸增 大,而殘余β相含量減少較小,導(dǎo)致硬度上升較小[9]。
經(jīng)不同固溶溫度處理后的TA10鈦合金的拉伸性能,由圖4可知,隨著固溶溫度的升高,合金抗拉強(qiáng)度(Rm)和屈服強(qiáng)度(Rp0.2)皆不斷升高,而合金的塑形方面,合金的斷后延伸率(A)隨著固溶溫度的升高而降低,特別是當(dāng)溫度達(dá)到單向區(qū)后,塑形性能下降明顯,4種固溶溫度中,當(dāng)溫度為920℃時(shí),合金強(qiáng)度達(dá)到最大值,其中抗拉強(qiáng)度(Rm)為548 MPa、屈服強(qiáng)度(Rp0.2)為420 MPa,當(dāng)溫度為860℃時(shí),合金塑形達(dá)到最大值,其斷后延伸率(A)為23%。
圖4 經(jīng)不同固溶溫度處理后的拉伸性能
隨著固溶溫度的不斷提高,組織中初生α相含量不斷降低。組織中初生α相形貌以等軸狀為主,相關(guān)研究表明,因?yàn)樵诘容S狀α相內(nèi)部具有較多能開動的滑移系,當(dāng)合金在進(jìn)行拉伸時(shí),組織中的滑移會首先于位向因子最大的等軸α相中開動,當(dāng)組織中等軸狀α相含量較多時(shí),拉伸產(chǎn)生的形變會較快地分散至更多的晶粒內(nèi),而不會在少量的α晶粒中開動導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象,最后產(chǎn)生開裂。因此,當(dāng)固溶溫度為860℃時(shí),較多的等軸狀α相可以進(jìn)行更大的形變,故其塑形較好,隨著固溶溫度升高,組織中等軸狀α相含量下降,導(dǎo)致塑形不斷降低[10]。
當(dāng)固溶溫度升高,β轉(zhuǎn)變組織含量逐漸增加,同時(shí)其內(nèi)部的次生α'相的尺寸增大增多,這會增加位錯(cuò)的滑動距離,而且次生α'相的內(nèi)部還存在大量的位錯(cuò),所以當(dāng)次生α'相含量增多時(shí),導(dǎo)致合金的強(qiáng)度升高。同時(shí),合金的拉伸性能還取決于合金本身的抗裂紋源萌生能力及抗裂紋擴(kuò)展的能力,二者相比較,抗裂紋源萌生能力會起到更重要的作用,而抗裂紋源萌生能力的主要受到滑移距離的影響,組織次生α'相尺寸越大,其滑移距離越大。這也是當(dāng)合金固溶溫度位于單向區(qū)后,溫度升高材料強(qiáng)度繼續(xù)升高的主要原因。
(1)合金經(jīng)固溶處理后,初生α相含量明顯減少,β轉(zhuǎn)變組織含量增加,析出大量次生α'相,隨著固溶溫度不斷升高,初生α相含量逐漸減少,固溶溫度到單向區(qū)后,初生α相完全消失。
(2)隨著固溶溫度的升高,維氏硬度值不斷增加,經(jīng)單向區(qū)熱處理后的硬度高于兩相區(qū),在固溶溫度為920℃時(shí),其硬度值達(dá)到最大值240 HV。
(3)隨著固溶溫度的升高,合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度皆不斷升高,而合金的塑形方面,合金的斷后延伸率隨著固溶溫度的升高而降低。當(dāng)溫度為920℃時(shí),合金強(qiáng)度達(dá)到最大值,其中抗拉強(qiáng)度為548 MPa、屈服強(qiáng)度為420 MPa;當(dāng)溫度為860℃時(shí),合金塑形達(dá)到最大值,其斷后延伸率為23%。