鈦合金是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料,具有比強(qiáng)度高、變形溫度區(qū)間窄、耐蝕性強(qiáng)、生物相容性好、無(wú)毒無(wú)磁等特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、化工石油、醫(yī)療核電等領(lǐng)域[1-2]。鈦合金具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變這一典型特征,化學(xué)成分、塑性變形工藝及熱處理方式對(duì)其微觀組織和力學(xué)性能具有顯著影響[3]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鈦合金產(chǎn)品成形制造與性能調(diào)控等方面進(jìn)行了大量研究。朱寶輝等[4]研究固溶時(shí)效工藝對(duì)Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金棒材組織及性能的影響,優(yōu)化固溶時(shí)效工藝。張晨輝等[5]對(duì)比研究了加熱溫度和冷卻方式對(duì)TA15、TC12和TA31等鈦合金組織和力學(xué)性能的影響,探究初生α相數(shù)量對(duì)鈦合金抗拉強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度及沖擊韌度等性能的調(diào)控機(jī)理。Arab等[6]研究顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系,表明馬氏體結(jié)構(gòu)水淬試樣具有較高硬度,雙態(tài)顯微組織具有良好塑性變形和強(qiáng)度。
Sadeghpour等[7]研制出一種新型β鈦合金Ti-4Al-7Mo-3Cr-3V(Ti-4733),研究表明細(xì)小針狀α沉淀的顯微組織表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度。
鈦合金產(chǎn)品成形制造與性能調(diào)控相關(guān)研究已經(jīng)取得階段性成果,然而,鈦合金不能像鋼那樣利用同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變進(jìn)行重結(jié)晶實(shí)現(xiàn)奧氏體晶粒細(xì)化,需通過(guò)塑性變形實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化[8-10],目前仍存在高溫變形難、控軋控冷技術(shù)不成熟和晶粒細(xì)化困難等關(guān)鍵技術(shù)難題。因此,探究產(chǎn)品宏觀塑性變形的遺傳影響對(duì)產(chǎn)品組織性能調(diào)控意義重大。本文基于不同軋制技術(shù)獲得的TC4鈦合金棒材熱軋坯料,對(duì)比分析不同熱處理?xiàng)l件下合金組織演變特征、晶粒尺寸變化規(guī)律及力學(xué)性能,進(jìn)一步揭示宏觀塑性變形、退火熱處理對(duì)合金微觀組織演變和力學(xué)性能的影響機(jī)理,為該類(lèi)合金棒材熱軋、熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。
1、試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料有兩種:TC4二輥軋坯,尺寸規(guī)格:?15mm×10mm;TC4三輥軋坯,尺寸規(guī)格:?12mm×10mm。合金化學(xué)成分如表1所示。
TC4鈦合金為典型α+β型合金,如圖1(a)、1(b)所示為二輥、三輥軋坯微觀形貌,均呈現(xiàn)等量分布、細(xì)小均勻的α相和β相,且三輥軋坯的等軸形貌更加顯著。這主要?dú)w因于三輥軋制塑性變形量大、軋制機(jī)架緊湊、溫降慢,棒材表面晶粒變形完全,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)達(dá)到飽和,且晶界位錯(cuò)由均勻分布狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅畏植紶顟B(tài),促使初始條形晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒[10-14],細(xì)小等軸狀組織更明顯。
為進(jìn)一步探究退火溫度、冷卻速率以及形變工藝對(duì)鈦合金顯微組織演變和力學(xué)性能的影響,制定不同熱處理工藝,如表2所示。在CX200E型光學(xué)顯微鏡(OM)、SEM3000S型掃描電鏡(SEM)下觀察TC4鈦合金顯微組織演變特征,腐蝕液為鈦合金β轉(zhuǎn)變點(diǎn)專(zhuān)用腐蝕劑Kroll腐蝕劑[15-16]:3%HF+6%HNO3+91%H2O;利用ImageJ圖像分析計(jì)算顯微組織晶粒平均尺寸與面積占比,探究晶粒尺寸的變化特征;在WDW-200型微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),獲得試樣強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度)和塑性指標(biāo)(伸長(zhǎng)率、斷面收縮率);并在HX-1000TM/LCD型顯微硬度儀上進(jìn)行硬度試驗(yàn),加載載荷為1N,加載時(shí)間為10s,取5次測(cè)量的平均值,獲得試樣維氏硬度。
2、結(jié)果與討論
2.1 退火溫度對(duì)顯微組織、晶粒尺寸的影響基于二輥軋態(tài)TC4鈦合金,制定5種不同退火溫度,隨爐加熱至850、900、950、1000和1050℃,對(duì)應(yīng)試樣1~5。坯料經(jīng)850和900℃退火處理后,如圖2(a)、2(b)所示,α相晶粒尺寸增大,且呈橢圓狀,整體形態(tài)符合等軸組織特點(diǎn),包括等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變相;同時(shí)觀察α相晶粒相關(guān)數(shù)據(jù),如圖2(f)所示,在此溫度區(qū)間,隨著退火溫度升高,α相面積占比大幅增長(zhǎng),說(shuō)明β組織中轉(zhuǎn)變出較多α相。經(jīng)950℃退火處理后,如圖2(c)所示,組織包括等軸初生α相、針狀α相和β轉(zhuǎn)變相的典型雙態(tài)組織,雙態(tài)組織具有較好拉伸性能、較高斷裂韌性和較低疲勞裂紋擴(kuò)展速率[17-19];同時(shí)α相晶粒平均尺寸幾乎沒(méi)有變化,而面積占比減少。經(jīng)1000和1050℃退火處理后,如圖2(d)、2(e)所示,在原始β晶界上呈α束域,β相分布在α相片間,呈現(xiàn)魏氏組織特征。魏氏組織與雙態(tài)組織相比較,塑性較低;在此溫度區(qū)間,隨著退火溫度升高,α相晶粒平均尺寸增長(zhǎng)較快,面積占比幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明在TC4相轉(zhuǎn)變點(diǎn)后,隨著退火溫度升高,α相晶粒尺寸會(huì)急劇增大。
2.2 形變工藝和冷卻速率對(duì)顯微組織、晶粒尺寸的影響
基于二輥軋態(tài)和三輥軋態(tài)TC4鈦合金,研究950℃保溫溫度下,不同形變工藝(二輥連軋、三輥連軋)、冷卻速率(水冷、空冷和爐冷)對(duì)合金顯微組織和晶粒尺寸的影響。二輥軋態(tài)合金對(duì)應(yīng)試樣6、3和7,三輥軋態(tài)合金對(duì)應(yīng)試樣13~15。
對(duì)于二輥軋坯,水冷處理后,如圖3(a)所示,冷卻速度快,β相析出來(lái)不及進(jìn)行,但會(huì)發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,析出與原始β相成分相同、晶格結(jié)構(gòu)不同的馬氏體相,組織呈現(xiàn)等軸α相、馬氏體α′、α″基體和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗟幕旌辖M織。空冷處理后,如圖3(b)所示,組織包括等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變相中析出的針狀α相。爐冷處理后,如圖3(c)所示,α相會(huì)沿著相轉(zhuǎn)變線析出,α相析出會(huì)較為完全,β相聚集在α相間,顯微組織包括等軸α相和等軸α相間β相。
對(duì)于三輥軋坯,不同冷卻速率處理后試樣顯微組織如圖3(d)、3(e)和3(f)所示,與同一冷卻方式的二輥軋坯的相組成基本一致。值得注意的是,三輥軋坯熱處理后,等軸α相、馬氏體α′、α″基體以及針狀α相晶粒尺寸更加細(xì)小。同時(shí)觀察圖4,三輥熱軋態(tài)合金α相面積占比和平均尺寸均低于二輥熱軋態(tài)合金。這主要?dú)w因于三輥熱軋能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大塑性變形,迫使晶粒細(xì)化[20-22]。同時(shí)研究表明[23-25],α相晶粒能夠有效阻礙等軸α相與跨軸β相界面上形成的拉伸變形空洞的生長(zhǎng),且初生α相晶粒尺寸越小,空洞在擴(kuò)展過(guò)程中遇到的阻擋層越多,促使合金獲得較高拉伸延性和屈強(qiáng)比。
2.3 退火及時(shí)效對(duì)合金顯微組織、晶粒尺寸的影響
圖5為退火及時(shí)效處理后試樣10、11、12和16的顯微組織,圖5中的右上角插圖為僅進(jìn)行退火水冷處理試樣8、9、6和13的顯微組織。如圖5插圖所示,二輥、三輥軋坯經(jīng)退火水冷處理后的顯微組織均包括初生等軸α相、馬氏體α′、α″相和亞穩(wěn)定β相。為進(jìn)一步把握亞穩(wěn)定相含量變化情況,對(duì)試樣進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,如圖6(a)所示,不同變形工藝和退火溫度下TC4棒材組織中均有馬氏體α′、α″相;尤其當(dāng)退火溫度為950℃時(shí),三輥軋坯合金中的α′、α″相更多。
相關(guān)研究資料表明[26-30],退火溫度越接近相轉(zhuǎn)變溫度、塑性變形量越大,越有利于亞穩(wěn)定相析出;且退火得到的馬氏體α′、α″相、亞穩(wěn)定β相在隨后時(shí)效過(guò)程中,容易分解為彌散的α相或β相,實(shí)現(xiàn)合金強(qiáng)化。
由圖5還可以看出,時(shí)效處理后,試樣10和16為等軸α相和含α相的β轉(zhuǎn)變基體;試樣11和12為等軸初生α相、含針狀α相的β轉(zhuǎn)變基體。進(jìn)一步觀察圖6(b)中數(shù)據(jù)變化特征,三輥軋坯經(jīng)退火及時(shí)效(試樣16,950℃×60min,WQ+540℃×360min,AC)處理后,α相晶粒平均尺寸為33.162μm,較同等條件處理二輥軋坯(試樣12)降低18.28%;α相晶粒尺寸的大幅減小有利于合金力學(xué)性能提高和機(jī)械零件受載。
2.4 形變工藝、熱處理工藝對(duì)力學(xué)性能的影響
選取試樣1、2、9、11和17進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),結(jié)果如圖7所示。對(duì)比試樣1、2和9,相同變形工藝TC4棒材進(jìn)行退火熱處理,隨著退火溫度升高、冷卻速率加快,合金的強(qiáng)度、硬度均增加,塑性降低。對(duì)比試樣9和11,退火及時(shí)效處理后,合金的強(qiáng)度降低,但塑性、硬度均增加。對(duì)比試樣11和17,不同變形工藝TC4棒材采用相同熱處理方式,三輥熱軋態(tài)合金具有更高強(qiáng)度(Rel=1045MPa,Rm=1082MPa)、塑性(A=14.2%,Z=41.2%)及硬度(583.04HV),屈強(qiáng)比高達(dá)0.966。
3、結(jié)論
1)熱處理工藝對(duì)TC4鈦合金顯微組織和力學(xué)性能具有顯著的影響,軋坯經(jīng)950℃退火處理后即可獲得典型雙態(tài)組織,雙態(tài)組織具有較好的拉伸性能、較高的斷裂韌性和較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,隨著退火溫度升高、冷卻速率加快,TC4鈦合金強(qiáng)度增加,硬度增加,塑性降低;
2)基于不同形變工藝的鈦合金熱處理研究發(fā)現(xiàn),三輥軋坯塑性變形量越大,越有利于亞穩(wěn)定相析出,退火后α′、α″相明顯增多,促進(jìn)時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生更多的亞穩(wěn)定相分解,并有利于彌散強(qiáng)化;且α相晶粒尺寸顯著減小,空洞在擴(kuò)展過(guò)程中遇到阻擋層越多,獲得較高拉伸延性;
3)從TC4鈦合金的實(shí)際應(yīng)用角度考慮,三輥軋坯經(jīng)退火及時(shí)效處理后屈強(qiáng)比可達(dá)0.966,遠(yuǎn)高于普通軋制的屈強(qiáng)比,屈強(qiáng)比越大,從節(jié)約材料,減輕重量方面考慮,更有利于機(jī)械零件受載。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉世鋒,宋璽,薛彤,等.鈦合金及鈦基復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用和發(fā)展[J].航空材料學(xué)報(bào),2020,40(3):77-94.
LIUShi-feng,SONGXi,XUETong,etal.Applicationanddevelopmentoftitaniumalloysandtitaniummatrixcompositesinaerospacefield[J].
JournalofAeronauticalMaterials,2020,40(3):77-94.
[2] 徐戊矯,譚玉全,龔利華,等.退火溫度和冷卻速率對(duì)TC4鈦合金組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程,2016,45(11):2932-2936.
XUWu-jiao,TANYu-quan,GONGLi-hua,etal.EffectofannealingtemperatureandcoolingrateonmicrostructureandpropertiesofTC4titaniumalloy[J].
RareMetalMaterialsandEngineering,2016,45(11):2932-2936.
[3] AzgomiN,TettehF,DuntuSH,etal.Effectofheattreatmentonthemicrostructuralevolutionandpropertiesof3D-printedandconventionallyproducedmedical-gradeTi6Al4VELIalloy[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsA,2021,52(8):
3382-3400.
[4] 朱寶輝,曾衛(wèi)東,陳林,等.固溶時(shí)效工藝對(duì)Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金棒材組織及性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2018,28(4):677-684.
ZHUBao-hui,ZENGWei-dong,CHENLin,etal.InfluencesofsolutionandagingtreatmentprocessonmicrostructureandmechanicalpropertiesofTi-6Al-6V-2Sntitaniumalloyrods[J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2018,28(4):677-684.
[5] 張晨輝,張利軍,鄭筠,等.鈦合金組織與性能調(diào)控工程實(shí)例[J].特種鑄造及有色合金,2021,41(8):1020-1023.
ZHANGChen-hui,ZHANGLi-jun,ZHENGJun,etal.Anengineeringexampleofmicrostructureandpropertiescontroloftitaniumalloy[J].
SpecialCastingandNonferrousAlloys,2021,41(8):1020-1023.
[6] ArabA,ChenP,GuoY.EffectsofmicrostructureonthedynamicpropertiesofTA15titaniumalloy[J].
MechanicsofMaterials,2019,137(10):1-10.
[7] SadeghpourS,AbbasiSM,MorakabatiM,etal.Correlationbetweenalphaphasemorphologyandtensilepropertiesofanewbetatitaniumalloy[J].
MaterialsandDesign,2017,121(5):24-35.
[8] BerminghamMJ,StjohnDH,KrynenJ,etal.Promotingthecolumnartoequiaxedtransitionandgrainrefinementoftitaniumalloysdur
ingadditivemanufacturing[J].ActaMaterialia,2019,168:261-274.
[9] LiuYG,LiMQ.StructureresponsecharacteristicsandsurfacenanocrystallizationmechanismofalphaphaseinTi-6Al-4Vsubjectedtohighenergyshotpeening[J].JournalofAlloysandCompounds,2019,773:860-871.
[10] 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.
ZHANGZhu,WANGQun-jiao,MOWei.MetallurgyandHeatTreatmentofTitanium[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress,2009.
[11] 楊佩,康聰,李維.TC4鈦合金工藝進(jìn)展[J].湖南有色金屬,2020,36(1):45-47.
YANGPei,KANGCong,LIWei.ProgressinTC4titaniumalloyprocess[J].HunanNonferrousMetals,2020,36(1):45-47.
[12] QiYL,ZengLY,HouZM,etal.Microstructureandmechanicalpropertiesofascasttitaniumalloyswithhighelasticmodulus[J].
MaterialsResearchInnovations,2014,18(4):212-214.
[13] 吳立凡,李濤,李振亮.固溶時(shí)效處理對(duì)TC20鈦合金α相演變和硬度的影響[J].金屬熱處理,2020,45(7):73-77.
WULi-fan,LITao,LIZhen-liang.Effectofsolidsolutionandagingonα-phasemicrostructureevolutionandhardnessofTC20titaniumalloy[J].HeatTreatmentofMetals,2020,45(7):73-77.
[14] 帥美榮.鈦合金棒材三輥熱連軋過(guò)程變形機(jī)理與技術(shù)研究[D].太原:太原科技大學(xué),2012.
SHUAIMei-rong.Studyondeformationmechanismandtechnologyoftitaniumalloyrodduringthree-rollhotcontinuousrollingprocess[D].Taiyuan:TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,2012.
[15] DobromyslovAV.Bainitictransformationsintitaniumalloys[J].PhysicsofMetalsandMetallography,2021,122(3):237-265.
[16] AaronsonHI.Mechanismsofthemassivetransformation[J].MetallurgicalandMaterialsTransactionsA:PhysicalMetallurgyandMaterialsScience,
2002,33(8):2285-2297.
[17] 許明方,陳玉華,陳偉,等.Ti-6Al-4V組織相變研究進(jìn)展[J].精密成形工程,2020,12(2):93-97.
XUMing-fang,CHENYu-hua,CHENWei,etal.ResearchprogressofTi-6Al-4Vphasetransition[J].JournalofNetshapeFormingEngineering,2020,12(2):93-97.
[18] 趙永慶,陳永楠,等.鈦合金相變及熱處理[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2012.
ZHAOYong-qing,CHENYong-nan,etal.PhaseTransformationandHeatTreatmentofTitaniumAlloy[M].Changsha:CentralSouthUniversityPress,2012.
[19] RodriguezOL,AllisonPG,WhittingtonWR,etal.DynamictensilebehaviorofelectronbeamadditivemanufacturedTi6Al4V[J].
MaterialsScienceandEngineeringA,2015,641:323-327.
[20] 甘章華,梁宇,王錦林,等.熱處理工藝對(duì)TC4鈦合金組織及硬度的影響[J].金屬熱處理,2014,39(9):36-40.
GANZhang-hua,LIANGYu,WANGJin-lin,etal.EffectsofheattreatmentprocessonmicrostructureandhardnessofTC4titaniumalloy[J].
HeatTreatmentofMetals,2014,39(9):36-40.
[21] 劉迪.AZ31鎂合金多道次軋制板材的顯微組織及力學(xué)性能[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.
LIUDi.StudyonmicrostructureandmechanicalpropertiesofAZ31Mgalloymultipasshotrollingprocess[D].
Harbin:HarbinInstituteofTechnology,2017.
[22] 王永哲,張曉冬,張鵬,等.軋制變形量對(duì)TC4鈦合金棒材組織及力學(xué)性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2013(6):22-25.
WANGYong-zhe,ZHANGXiao-dong,ZHANGPeng,etal.EffectofrollingdeformationonthemicrostructuresandmechanicalpropertiesofTC4titaniumalloybars[J].
TitaniumIndustryProgress,2013(6):22-25.
[23] GuoP,ZhaoY,ZengW,etal.TheeffectofmicrostructureonthemechanicalpropertiesofTC4-DTtitaniumalloys[J].
MaterialsScienceandEngineeringA,2013,563:106-111.
[24] LiH,LiMQ,LiuHB,etal.EffectofgrainsizeofprimaryαphaseonbondinginterfacecharacteristicandmechanicalpropertyofpressbondedTi-6Al-4Valloy[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2016,26(1):93-99.
[25] 毛飛龍.TC4鈦合金熱力學(xué)行為及棒材三輥軋制工藝參數(shù)研究[D].太原:太原科技大學(xué),2013.
MAOFei-long.StudyonthermodynamicbehaviorofTC4titaniumalloyandthree-rollbarrollingprocessparameters[D].
Taiyuan:TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,2013.
[26] 陸興,任瑞銘,康煜平,等.熱處理工程基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
LUXing,RENRui-ming,KANGYu-ping,etal.FundamentalsofHeatTreatmentEngineering[M].Beijing:MechanicalIndustryPress,2007.
[27] WilliamDCallisterJr.MaterialsScienceandEngineering:AnIntroduction[M].JohnWileyandSonsInc,1985.
[28] 李念奎,凌杲,聶波,等.鋁合金材料及其熱處理技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2012.
LINian-kui,LINGGao,NIEBo,etal.AluminumAlloyMaterialsandHeatTreatmentTechnology[M].Beijing:MetallurgicalIndustryPress,2012.
[29] 鄒海貝.TC4鈦合金熱處理強(qiáng)化工藝及相變行為研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2019.
ZOUHai-bei.StudyonheattreatmentstrengtheningandphasetransformationbehaviorofTC4titaniumalloy[D].Qinhuangdao:YanshanUniversity,2019.
[30] 鄭遺凡.XRD微結(jié)構(gòu)分析在氨合成熔鐵催化劑和納米材料中的應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007.
ZHENGYi-fan.TheapplicationofmicrostructureanalysisofXRDonfusedironcatalystforammoniasynthesisandnanomaterials[D].
Hangzhou:ZhejiangUniversity,2007.42
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