張 鈞, 李炎洲,, 董利民, 張志強(qiáng), 雷曉飛

(1. 沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044; 2. 中國(guó)科學(xué)院 金屬研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110016)

目前,在航空航天緊固件中應(yīng)用最為廣泛的鈦合金材料是雙相的TC4合金,該合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和工藝性能,是美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的鈦合金材料,尤其是作為緊固件材料.但由于TC4合金的β相元素含量較少,淬透性差且抗高溫性能低,于是在TC4合金的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)了Ti662高強(qiáng)鈦合金[1-3].Ti662合金由于含有較多的β相穩(wěn)定化元素V,合金的固溶強(qiáng)化效果明顯,此外,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%Cu和0.5%Fe可進(jìn)一步提高其熱處理強(qiáng)化能力[3],通過(guò)這些元素的調(diào)整,合金淬透厚度可達(dá)到 38.1～50.4 mm,從而在工程應(yīng)用上彌補(bǔ)了TC4合金淬透性差的缺點(diǎn)[4].

在工程應(yīng)用上,大部分結(jié)構(gòu)件選用退火態(tài)作為使用狀態(tài)[5-6],根據(jù)《鈦及鈦合金棒材標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 2965—2007),Ti662合金在工程應(yīng)用上的退火溫度區(qū)間為700～800 ℃,要求合金的抗拉強(qiáng)度大于1 030 MPa.不同退火溫度處理會(huì)造成顯微組織、初生α相(αp)的體積分?jǐn)?shù)和β相晶粒平均面積及相組成的差異,進(jìn)而直接影響合金的力學(xué)性能.目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)Ti662合金退火溫度開(kāi)展的系統(tǒng)研究較少,因此,本文系統(tǒng)地研究了不同溫度退火處理對(duì)合金顯微組織中晶粒平均面積和相體積分?jǐn)?shù)的影響及與拉伸性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

1 材料與方法

利用真空自耗熔煉爐制備出Ti662合金鑄錠,合金各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1.鑄錠經(jīng)開(kāi)坯、鍛造、軋制、拉拔等工藝,制備出直徑為8.7 mm的棒材,拉拔棒材的顯微組織見(jiàn)圖1,其中暗灰色相為αp相,亮灰色相為β相.采用金相法測(cè)定該合金的相變點(diǎn)為(955±5) ℃.對(duì)Ti662合金絲坯進(jìn)行680、700、720、750和770 ℃等不同溫度退火處理,在相應(yīng)溫度下各保溫1.5 h,然后出爐空冷.物相分析采用Rigaku Smartlab X射線衍射儀(XRD)CuK進(jìn)行.顯微組織分析采用HITACHI S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM).利用Ti662合金橫截面顯示的αp相和β相晶粒輪廓,定量測(cè)量晶粒面積,從而確定出αp相體積分?jǐn)?shù)和β相晶粒平均面積.采用INSTRON 5582萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為1 mm·min-1,拉伸試樣的工作直徑為4 mm,標(biāo)距為20 mm.

表1 Ti662合金各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of chemical composition of Ti662 alloy %

圖1 Ti662合金拉拔態(tài)SEM圖Fig.1 SEM image of drawing state of Ti662 alloy

2 結(jié)果與分析

圖2為不同退火溫度處理后的Ti662合金試樣的XRD圖譜.可見(jiàn),不同退火溫度的試樣均由α相和β相組成,α相中α(10-10)面衍射峰強(qiáng)度最高,β相中β(110)面的衍射峰強(qiáng)度最高.不同退火溫度處理后試樣的XRD衍射峰位置無(wú)明顯變化,但衍射峰強(qiáng)度變化明顯.

圖2 不同退火溫度處理后的Ti662合金的XRD圖譜

Fig.2 XRD patterns of Ti662 alloy annealed at different temperatures

圖3為不同退火溫度處理后Ti662合金試樣的SEM圖,從圖中可以看出其顯微組織的變化.其中暗灰色相為αp相,亮灰色相為β相,不同退火

圖3 不同退火溫度處理后的Ti662合金SEM圖Fig.3 SEM images of the micro-structures of Ti662 alloy annealed at different temperatures

溫度處理后顯微組織均為等軸組織,隨退火溫度升高(680～770 ℃),αp相的含量降低,晶粒平均面積變大,退火過(guò)程伴隨著α相到β相轉(zhuǎn)變.

所有退火溫度試樣的β相中均未觀察到次生α相(αs),這表明在退火溫度區(qū)間680～770 ℃空冷條件下,β相相對(duì)穩(wěn)定,不會(huì)析出αs相[7],退火處理過(guò)程中β相晶粒平均面積變大,是由于發(fā)生α相到β相的轉(zhuǎn)變和β相再結(jié)晶長(zhǎng)大.

圖4為不同退火溫度處理后的αp相體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì),可見(jiàn),αp相的體積分?jǐn)?shù)先在低溫段緩慢下降,當(dāng)退火溫度超過(guò)720 ℃后快速降低.

圖5為不同退火溫度處理后β相晶粒平均面積的變化趨勢(shì),可見(jiàn),β相晶粒平均面積隨退火溫度升高先緩慢增加,當(dāng)溫度超過(guò)720 ℃后快速增加.β相晶粒平均面積的變化趨勢(shì)與αp相體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)恰恰相反.

圖4 Ti662合金αp相體積分?jǐn)?shù) 隨退火溫度的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of αp phase volume fraction with annealing temperature

圖5 Ti662合金β相晶粒平均面積隨退火溫度的變化趨勢(shì)

Fig.5 Variation trend ofβphase grain with annealing temperature

圖6為不同退火溫度處理后Ti662合金試樣的室溫拉伸性能測(cè)試,可見(jiàn),隨著退火溫度的升高,試樣的抗拉強(qiáng)度下降,塑性略有升高,但變化不大.由于在本文設(shè)定的退火溫度區(qū)間中,顯微組織均為等軸組織,合金由αp相和β相組成,β相中無(wú)αs相的析出,因此,主要由兩相晶粒平均面積決定合金的強(qiáng)度.由圖5可知,β相晶粒平均面積隨退火溫度升高而增加,導(dǎo)致α-α相界面、α-β相界面和β-β相界面減少,相界阻礙位錯(cuò)滑移能力降低,強(qiáng)度下降;另外,α相和β相晶粒平均面積增大,導(dǎo)致位錯(cuò)滑移距離增大,強(qiáng)度降低.此外,β相體積分?jǐn)?shù)隨退火溫度升高而增加,根據(jù)位錯(cuò)滑移理論[8],與α相的密排六方結(jié)構(gòu)相比,β相的體心立方結(jié)構(gòu)滑移系較多,在拉伸過(guò)程中,位錯(cuò)在受力作用下發(fā)生滑移,合金整體滑移系較多,更容易發(fā)生位錯(cuò)堆垛的現(xiàn)象,導(dǎo)致強(qiáng)度降低.隨退火溫度升高,合金顯微組織中恢復(fù)和再結(jié)晶充分,塑性略有提高.

圖6 不同退火溫度處理后的Ti662合金室溫拉伸性能測(cè)試

Fig.6 Room-temperature tensile properties of Ti662 alloy annealed at different temperatures

圖7為不同退火溫度處理后Ti662合金試樣拉伸斷口SEM圖.可見(jiàn),所有斷口纖維區(qū)都呈現(xiàn)出暗灰色,合金斷口的表面不平整,邊緣較高,心部較低,可以明顯觀察到剪切唇、纖維區(qū),但幾乎觀察不到這兩者中間的放射區(qū),纖維區(qū)中可以看到明顯的同心圓區(qū)域,表明韌性較好,因此都表現(xiàn)為韌性斷裂特征,整體上合金拉伸斷口形貌差別不大.此外,從微觀形貌來(lái)看,不同退火溫度試樣拉伸后的微觀斷口形貌在纖維區(qū)都為微孔斷裂方式,可以清晰地看到等軸狀的韌窩,但隨著退火溫度升高,韌窩加深,且尺寸變大.這是因?yàn)殡S退火溫度增加,αp相逐漸減少,β相增多,合金恢復(fù)和再結(jié)晶充分,塑性提高,韌窩加深.

圖7 不同退火溫度處理后的Ti662合金拉伸斷口SEM圖Fig.7 SEM images of tensile fracture of Ti662 alloy treated with different annealing temperatures

3 結(jié) 論

1) Ti662合金經(jīng)680～770 ℃區(qū)間退火處理后的顯微組織均為等軸組織;隨著退火溫度升高,合金中αp相體積分?jǐn)?shù)降低,β相體積分?jǐn)?shù)增大,兩種相的晶粒平均面積均增大,并且β相中無(wú)αs相析出.

2) 隨著退火溫度升高,Ti662合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均降低,塑性略有升高;拉伸斷口韌窩尺寸和韌窩深度均增加,呈現(xiàn)明顯的高低起伏.

3) Ti662合金的優(yōu)化退火處理溫度為720～750 ℃,可以獲得強(qiáng)度和塑性的良好匹配.