供稿|裴莉, 薛虎明, 雒水會(huì),馬元杰, 魏高艷 / PEI Li, XUE Hu-ming, LUO Shui-hui, MA Yuan-jie, WEI Gao-yan
TA11(Ti-8Al-1Mo-1V)鈦合金為耐熱鈦合金,是美國在20世紀(jì)50年代開發(fā)出來的一種近α型鈦合金,其熱穩(wěn)定溫度可達(dá)450℃。該合金不僅在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性,高的蠕變性能和優(yōu)良的阻尼性能,而且有較高的高溫抗拉強(qiáng)度。該合金有較高的α穩(wěn)定元素Al,而β穩(wěn)定元素Mo、V的含量較少,由于保持了α型合金的特點(diǎn),所以有良好的高溫蠕變性能和焊接性,又具有某些α+β型合金的特性。近α型鈦合金是工作在450℃以上的高壓風(fēng)機(jī)葉片選材的重點(diǎn)。
蠕變,是指在一定的溫度和較小的恒定外力(拉力、壓力、扭力)作用下,材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。嚴(yán)格來說,蠕變可以發(fā)生在任何溫度,但是只有當(dāng)T/TM大于0.3時(shí),蠕變現(xiàn)象才會(huì)明顯。蠕變的研究對(duì)于金屬材料的高溫使用有著重要的意義。
本文探討了熱處理制度對(duì)TA11鈦合金棒材組織及高溫蠕變性能的影響,對(duì)比分析了不同熱處理制度下的室溫力學(xué)性能和高溫(425℃)蠕變性能及組織特征,為該合金的批量化生產(chǎn)提供一定的理論基礎(chǔ)和熱處理制度參考。
實(shí)驗(yàn)選用經(jīng)三次真空自耗爐熔煉的TA11鈦合金鑄錠,主要化學(xué)成分符合專用標(biāo)準(zhǔn)的要求(見表1),相變溫度為1025~1035℃,鑄錠經(jīng)鍛造開坯至φ35 mm,并最終在φ250軋機(jī)軋制成φ21.5 mm的棒材,棒材顯微組織為不均勻β基體分布著初生α相,初生α含量在30%~40%,α相相貌為等軸狀,顯微組織與其他近α型合金相似(顯微組織如圖1所示)。
表1 TA11合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
表2 熱處理制度
經(jīng)軋制的φ21.5 mm棒材按表2所列的不同的熱處理制度進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理后,取樣測(cè)試其室溫拉伸和高溫蠕變性能。金相試樣從固溶時(shí)效熱處理后的棒材上切取,試樣腐蝕劑為HF、HNO3和H2O的混合液,顯微組織在金相顯微鏡(型號(hào)XJL-03)上觀察。
圖1 TA11合金棒材顯微組織(R態(tài))
在三種不同熱處理制度下,試樣的顯微組織依次如圖2(a)、(b)、(c)所示??梢钥闯?,在(a)熱處理制度下,棒材顯微組織為等軸初生α和轉(zhuǎn)變?chǔ)拢⒂猩倭康拇紊脸霈F(xiàn),等軸初生α分布不太均勻,其含量占30%~40%,為典型的雙態(tài)組織;在(b)熱處理制度下,其組織也為雙態(tài)組織,其次生α的含量有所增加,等軸初生α分布比(a)熱處理制度中更均勻,含量沒有明顯改變;在(c)熱處理制度中,其顯微組織跟前兩種熱處理制度比較,等軸初生α和轉(zhuǎn)變?chǔ)路植济黠@均勻,等軸α含量變化不大,由于固溶溫度高,初生α晶粒較(a)、(b)制度稍大。相比較而言,在相同的固溶溫度下,冷卻速度越快,晶粒分布越均勻,高倍組織穩(wěn)定性越好;在相同的固溶冷卻方式下,固溶溫度越高,等軸α含量變化不大,但分布越來越均勻,其雙態(tài)組織形貌越好。
不同熱處理制度下,檢測(cè)得出的高溫蠕變性能見表3。從表3可以看出,在(a)和(b)熱處理制度中,高溫蠕變的殘余變形大于0.2%,不符合標(biāo)準(zhǔn),室溫力學(xué)性能勉強(qiáng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求;在(c)熱處理制度中,稍大的晶粒有利于高溫蠕變的殘余變形達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),室溫力學(xué)性能也符合標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)比而言,在相同的固溶溫度下,冷卻速度越快,高溫蠕變性能越好,但高溫蠕變的殘余變形大于0.2%,不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;材料的室溫強(qiáng)度相對(duì)有所提高,但塑性下降。在相同的固溶冷卻方式下,固溶溫度越高,其高溫蠕變性能越好,室溫強(qiáng)度越高,材料的綜合性能越好。
圖2 TA11合金棒材不同熱處理制度下的顯微組織
表3 TA11合金高溫蠕變性能及室溫性能
TA11鈦合金棒材經(jīng)雙重?zé)崽幚砗螅滹@微組織為典型的雙態(tài)組織,隨著固溶溫度的升高,冷卻速度的加快,其晶粒有所長大,組織晶粒度得到了改善。
隨著固溶溫度的升高,冷卻速度越快,其高溫蠕變性能越好,室溫強(qiáng)度越高,但塑性有所降低。
[1] 編寫組. 稀有金屬材料加工手冊(cè). 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1984:74.
[2] 編寫組. 高速軋機(jī)線材生產(chǎn). 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003: 1-2.
[3] 亞歷山大 B K. 鈦合金半成品加工. 稀有金屬材料與工程雜志社, 1984: 89.
[4] 周義剛. 鈦合金高溫形變強(qiáng)韌化機(jī)理. 金屬學(xué)報(bào), 1999, 35(增): 1.