β相區(qū)冷卻方式對(duì)TA15鈦合金組織與沖擊性能的影響

翟欣姣,張明玉,岳 旭,3,同曉樂(lè),3,楊 斌,王玉佳

(1.新疆湘潤(rùn)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.新疆鈦基新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 哈密 839000)

鈦及鈦合金具有無(wú)磁性、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好以及密度低等眾多良好的特性,使得其在生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工程、海洋工程、航天軍工等各個(gè)領(lǐng)域均有大量且廣泛的使用[1]。TA15鈦合金是一種典型的近α型鈦合金,該合金的名義成分為T(mén)i-6.5Al-2Zr-1Mo-1V[2]。TA15鈦合金具備中等強(qiáng)度的室溫強(qiáng)度以及較為優(yōu)異的高溫強(qiáng)度,同時(shí)該合金的熱穩(wěn)定性良好且塑性性能優(yōu)異,可進(jìn)行鍛造、軋制等塑性加工,故其被廣泛的應(yīng)用在飛機(jī)的關(guān)鍵受力構(gòu)件中,故要求其產(chǎn)品性能具備優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[3-4]。近些年來(lái),隨著航天航空領(lǐng)域的不斷發(fā)展,故對(duì)TA15鈦合金的力學(xué)性能要求也不斷增加,因此對(duì)該合金的組織與力學(xué)性能的研究是很有必要的。

目前關(guān)于TA15鈦合金的研究較多,其中趙小龍等人[5]研究了固溶溫度對(duì)TA15鈦合金組織與力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)固溶溫度會(huì)影響組織中初生α相含量,隨著固溶溫度升高,初生α相含量逐漸減少,且析出大量的次生α相。并發(fā)現(xiàn)合金強(qiáng)度隨著固溶溫度升高而增加,而塑性則體現(xiàn)出與之相反的變化趨勢(shì)。齊銘等人[6]研究了熱處理對(duì)鍛壓TA15鈦合金棒材組織和性能的影響,發(fā)現(xiàn)退火溫度會(huì)影響組織中初生α相、次生α相以及β相的含量,經(jīng)對(duì)比,合金經(jīng)820 ℃退火處理后,其強(qiáng)度與塑性得到良好的匹配(其抗拉強(qiáng)度為986 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為13.5%)。谷美邦[7]研究了熱處理制度對(duì)激光增材制造TA15鈦合金力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)普通退火處理后,組織為細(xì)片層α+β超細(xì)片層網(wǎng)籃組織,而合金經(jīng)雙重退火處理后,組織為初生α相+超細(xì)β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的雙態(tài)組織;在力學(xué)性能方面,發(fā)現(xiàn)經(jīng)普通退火處理后,合金強(qiáng)度與疲勞極限均優(yōu)于雙重退火。

綜上所述,雖然目前眾多學(xué)者對(duì)TA15鈦合金做了相關(guān)研究,但熱處理溫度均是在兩相區(qū)溫度,未對(duì)單相區(qū)溫度處理后的組織進(jìn)行研究。同時(shí)對(duì)合金力學(xué)性能的研究也是以拉伸性能為主,并未對(duì)沖擊性能做出研究,故本文根據(jù)目前研究現(xiàn)狀,對(duì)TA15鈦合金進(jìn)行β相區(qū)(單相區(qū))加熱處理,再進(jìn)行不同的方式的冷卻處理,隨后進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。分析β相區(qū)冷卻方式對(duì)TA15鈦合金組織與沖擊性能的影響,為該合金的工程應(yīng)用做出參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)材料為直徑為130 mm的TA15鈦合金棒材,該材料由新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司提供,測(cè)得合金主要化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):6.73Al,2.29V,2.1Zr,1.67Mo,0.01O,Ti余量。使用差熱分析法(DSC)測(cè)得試驗(yàn)用TA15鈦合金的相轉(zhuǎn)變溫度為993 ℃。使用鋸床以及線切割對(duì)試驗(yàn)用TA15鈦合金進(jìn)行切割加工,隨后使用高精度等級(jí)的箱式電阻爐對(duì)合金進(jìn)行加熱處理。根據(jù)測(cè)得的相轉(zhuǎn)變溫度,設(shè)定加熱溫度為1000 ℃,加熱時(shí)間為1 h,待加熱結(jié)束后,分別對(duì)合金采用水冷、空冷、爐冷三種方式進(jìn)行冷卻。熱處理加工完成后,對(duì)試樣進(jìn)行微觀組織觀察并進(jìn)行沖擊性能測(cè)試,隨后觀察沖擊斷口微觀形貌。其中,微觀組織腐蝕劑配比為HF:HNO3:H2O=1:3:6(體積比),使用Ziess光學(xué)顯微鏡觀察合金的微觀組織并拍照,使JBS-750金屬擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊性能測(cè)試,測(cè)試過(guò)程依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,采用一體式Nava SEM 450場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)沖擊試樣的斷口進(jìn)行微觀形貌觀察并分析。

圖1為試驗(yàn)用TA15鈦合金棒材的原始微觀組織(即原始加工態(tài)微觀組織),可以發(fā)現(xiàn)該組織為十分典型的經(jīng)兩相區(qū)鍛造加工后的雙態(tài)組織,其主要由大量形貌為等軸狀的初生α相以及β轉(zhuǎn)變組織組成,β轉(zhuǎn)變組織中包含形貌為細(xì)小條狀的次生α相以及殘余β相(位于次生α相之間)。

圖1 TA15鈦合金棒材的原始微觀組織

在鍛造加工的塑性變形過(guò)程中,合金微觀組織中包含的初生α相與β相均會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形,在鍛造加工后形成形貌為等軸狀的α相。在整個(gè)鍛造加工過(guò)程中,組織中α相的形貌與含量會(huì)受到變形量大小、變形溫度高低以及變形速度快慢等因素所影響。在鍛造加工過(guò)程中,隨著變形量增加的過(guò)程,鑄態(tài)組織中的原始粗大β晶粒會(huì)受到巨大的外應(yīng)力作用,隨后被壓扁并且發(fā)生一定程度的破碎,并且發(fā)生破碎的晶粒會(huì)順著塑性變形的流動(dòng)方向被拉長(zhǎng)并產(chǎn)生扭曲,且順著塑性變形的方向進(jìn)行有規(guī)律的排列。在塑性變形量達(dá)到一定程度后,合金微觀組織中會(huì)產(chǎn)生一定量的帶狀結(jié)構(gòu),在達(dá)到一定的條件后,組織會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶,最終形成形貌為等軸狀的α相。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

圖2為合金經(jīng)不同冷卻方式處理后的微觀組織形貌?？梢园l(fā)現(xiàn),不同冷卻方式對(duì)合金微觀組織形貌影響較大,在水冷條件下(圖2a),組織中出現(xiàn)粗大的β晶粒,并有晶界α相(位置A)出現(xiàn),且晶界α相尺寸十分細(xì)小,同時(shí)發(fā)現(xiàn)組織中出現(xiàn)形貌十分細(xì)小的針狀α相。在空冷條件下(圖2b),發(fā)現(xiàn)組織同樣是由粗大β晶粒構(gòu)成,并析出更多的細(xì)小針狀α相(位置B),且發(fā)現(xiàn)針狀α相尺寸有所增加。而在爐冷條件下(圖2c),相比于水冷與空冷,此時(shí)微觀組織形貌產(chǎn)生較大的變化,組織中除了粗大β晶粒外,其晶粒被大量粗大片狀α相所占據(jù)(位置C),且發(fā)現(xiàn)晶界α相明顯粗化。

(a)水冷 (b)空冷 (c)爐冷圖2 經(jīng)不同冷卻方式處理后的微觀組織

由于TA15鈦合金為近α型鈦合金,該合金的β類(lèi)穩(wěn)定元素含量較少,即Mo當(dāng)量較低。故在冷卻過(guò)程中通常只會(huì)形成α′相與次生α相,并無(wú)α"相析出[8]。合金在加熱過(guò)程中,組織會(huì)發(fā)生α→β相的轉(zhuǎn)變,溫度越高,轉(zhuǎn)變?cè)匠浞?。本試?yàn)加熱溫度為單相區(qū),故α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?在隨后的冷卻過(guò)程中,β相向α相進(jìn)行轉(zhuǎn)變。不同冷卻方式產(chǎn)生的過(guò)冷度不同,在水冷時(shí),產(chǎn)生的過(guò)冷度較大,原子通常會(huì)以切變的方式發(fā)生轉(zhuǎn)變,組織中合金元素來(lái)不及充分?jǐn)U散,最終會(huì)形成α′相,即經(jīng)水冷處理后,組織中發(fā)生β→α′相[9]。在空冷條件下,因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生的過(guò)冷度有所減少,組織中合金元素會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散轉(zhuǎn)變,最終形成細(xì)針狀次生α相。而在爐冷條件下,因?yàn)榇藭r(shí)冷卻速度十分緩慢,過(guò)冷度十分小,同時(shí)爐冷條件下會(huì)有充分的能量使得組織中的次生α相進(jìn)行長(zhǎng)大,最終形成尺寸粗大的片狀α相。

2.2 沖擊性能

圖3為T(mén)A10鈦合金經(jīng)不同冷卻方式處理后的沖擊吸收功?？梢园l(fā)現(xiàn),三種冷卻方式中,合金經(jīng)爐冷處理后沖擊吸收功最大(38 J),其次是空冷(17 J),水冷最差(13 J)。合金的沖擊吸收功由兩部分構(gòu)成,分別是裂紋萌生階段所吸收的能量以及裂紋擴(kuò)展過(guò)程中所吸收的能量[10]。

圖3 經(jīng)不同冷卻方式處理后的沖擊吸收功

在裂紋萌生階段,經(jīng)水冷和空冷處理后的組織均是由粗大β晶粒構(gòu)成,該類(lèi)型組織的整體協(xié)調(diào)性能均較差。二者的區(qū)別為水冷組織中的α′相形貌更加細(xì)小,在塑性變形起始階段,組織中的微裂紋會(huì)率先在大量的細(xì)小α′相中萌生,因?yàn)棣痢湎啾旧砭哂械挠捕容^高,且細(xì)小的α′相極其容易產(chǎn)生微尺度的不均勻形變,即施加很小的外力就會(huì)使得裂紋萌生以及進(jìn)行擴(kuò)展。即相比水冷,經(jīng)空冷處理后的組織中析出尺寸較大的次生α相,其本身的硬度也要低于α′相,故組織的整體協(xié)調(diào)性能較水冷有所增加,即相比于水冷,空冷在該階段吸收能量有所增加。因?yàn)榻?jīng)爐冷處理后組織中由粗大β晶粒以及大量片狀α相構(gòu)成,片狀α相會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生階段的組織變形極不均勻,即吸收能量最多。

在裂紋擴(kuò)展階段,由于三種冷卻方式的組織中均包含粗大β晶粒,裂紋大部分會(huì)沿著β晶粒的晶界位置進(jìn)行擴(kuò)展,其余部分會(huì)在晶粒內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)水冷處理后的組織中α′相最為細(xì)小,裂紋較為容易穿過(guò)。而經(jīng)空冷處理后組織中析出的次生α相尺寸較大,裂紋穿過(guò)次生α相時(shí)需要更多的能量。而爐冷中的片狀α相尺寸更多,即裂紋難以順利穿過(guò)片狀α相,部分裂紋會(huì)繞過(guò)片狀α相進(jìn)行擴(kuò)展,這就導(dǎo)致了裂紋的擴(kuò)展路徑增加曲折,即吸收能量更多。綜上所述,經(jīng)爐冷處理后,在裂紋萌生以及裂紋擴(kuò)展階段所吸收的能量最多,空冷次之,水冷最少。

2.3 沖擊斷口微觀形貌

圖4為T(mén)A10鈦合金經(jīng)不同冷卻方式處理后的沖擊斷口微觀形貌?？梢园l(fā)現(xiàn),三種斷口形貌均是以巖石狀形貌為主,并有少量尺寸較小且深度較淺的韌窩(位置D)分布在表面,其中經(jīng)爐冷處理后的斷口中韌窩數(shù)量較多,從斷口形貌判斷合金沖擊性能高低的主要依據(jù)是斷口中韌窩分布的數(shù)量以及形貌,當(dāng)斷口形貌中的韌窩尺寸較深且數(shù)量較多時(shí),合金具備較高的沖擊性能,而當(dāng)斷口中分布韌窩的深度較淺且數(shù)量較少時(shí),合金的具備的沖擊性能較低較低。故根據(jù)圖4可知,合金在經(jīng)爐冷處理后合金的沖擊性能較高。

(a)水冷 (b)空冷 (c)爐冷圖4 經(jīng)不同冷卻方式處理后的沖擊斷口微觀形貌

沖擊斷口形貌中的韌窩是合金在塑性變形過(guò)程中,由于其會(huì)產(chǎn)生較快的應(yīng)變速率,這會(huì)使得組中的位錯(cuò)在快速移動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而會(huì)引起組織出現(xiàn)大量的微孔,在塑性變形不斷進(jìn)行的過(guò)程中,會(huì)不斷降低位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的排斥力,并且會(huì)有少量的位錯(cuò)進(jìn)入微孔中,進(jìn)而再次使得位錯(cuò)源產(chǎn)生激活,由于整個(gè)塑性變形過(guò)程中會(huì)有大量的位錯(cuò)不斷產(chǎn)生,即導(dǎo)致會(huì)不斷有新形成的位錯(cuò)進(jìn)入微孔內(nèi)部,使得形成的微孔不斷長(zhǎng)大,隨后大量的微孔都在沖擊斷口位置進(jìn)行匯聚,并且留下痕跡,最終形成大量尺寸較小的韌窩在斷口表面分布。由于本文中所設(shè)置的熱處理溫度均為單相區(qū),這就使得合金斷口形貌中的韌窩數(shù)量較少,這也充分的證實(shí)了合金經(jīng)單相區(qū)溫度處理后沖擊性能較低的理論。

發(fā)現(xiàn)三種斷口形貌中均存在明顯的解理臺(tái)階(位置E)以及撕裂棱(位置F),說(shuō)明合金的斷裂類(lèi)型是以脆性斷裂為主。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),在空冷以及爐冷的斷口形貌中有空洞(位置G)以及二次裂紋(位置H)出現(xiàn),水冷的斷口中該形貌較不明顯。這是因?yàn)榱鸭y在擴(kuò)展過(guò)程中,會(huì)遇到次生α相以及片狀α相,部分裂紋的擴(kuò)展路徑會(huì)產(chǎn)生一定偏轉(zhuǎn),裂紋通常會(huì)順著α相和β相的晶界交界位置繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展,此時(shí)在界面位置會(huì)有孔洞以及二次裂紋出現(xiàn),因?yàn)榱鸭y發(fā)生偏轉(zhuǎn)會(huì)消耗較多的能量,故合金的沖擊吸收功增加。

3 結(jié)論

本文選取TA15鈦合金棒材作為研究材料,設(shè)置單相區(qū)溫度進(jìn)行加熱處理,隨后進(jìn)行水冷、空冷以及爐冷三種方式進(jìn)行冷卻,并分析合金的微觀組織以及沖擊性能,獲得以下結(jié)論:

(1)合金經(jīng)三種不同冷卻方式處理后,微觀組織中均出現(xiàn)粗大的β晶粒,其中經(jīng)水冷處理后的微觀組織中析出α′相,經(jīng)空冷處理后的組織中析出形貌為細(xì)小針狀次生α相,而經(jīng)爐冷處理后組織中析出大量片狀α相,且晶界α相明顯粗化。

(2)在三種冷卻方式中,合金經(jīng)爐冷處理后沖擊吸收功最大(38 J),其次是空冷(17 J),水冷最差(13 J)。

(3)經(jīng)三種不同冷卻方式處理后,合金的斷裂類(lèi)型均以脆性斷裂為主,沖擊斷口形貌均是以巖石狀形貌為主,并有少量尺寸較小且深度較淺的韌窩分布在表面。發(fā)現(xiàn)三種斷口形貌中均存在明顯的解理臺(tái)階以及撕裂棱,且在空冷以及爐冷的斷口形貌中有空洞以及二次裂紋出現(xiàn),而水冷的斷口中該形貌較不明顯。