不同退火溫度對航空航天領域用TA15鈦合金厚板組織與力學性能的影響分析

鈦合金具有眾多優異的性能,例如高的比強度、優異的耐腐蝕性能、無磁等,經過七十余年的發展,已經成為三大輕金屬結構材料之一。鈦合金材料可用來加工制作成各種類型的成形件,如板材、棒材、管材以及鍛件等,具有良好的加工性能[1-2]。

TA15鈦合金作為眾多牌號鈦合金的一種,屬于中高溫鈦合金,具有良好的耐高溫性能、耐腐蝕性能和高強度等優點。TA15鈦合金屬于近α鈦合金,具有優異的室溫性能,其450~500℃高溫性能高于TC4鈦合金,在飛機和航空發動機上有廣泛應用,主要用來制造飛機隔筐、壁板等工作溫度較高、受力較復雜的重要結構零件。因此,TA15鈦合金在航空航天領域中的應用更加廣泛[3]。本文旨在研究通過確定相變點后,采用不同熱處理制度對熱軋成形的鈦合金厚板進行處理,觀察并分析其高倍組織的變化和性能的波動,以獲得最優的處理方式。

1、實驗過程

1.1　實驗材料

實驗材料選取成分符合GJB2505A—2018[4]的鈦合金鑄錠進行生產實驗,經鍛造成形的TA15(Ti-6.7Al-1.8Mo-2.2V-2.2Zr-0.13O)鈦合金板坯,其尺寸規格為230mm×1300mm×950mm,化學成分見表1。

表 1 TA15 鈦合金主元素的化學成分（%，質量分數）

Table 1 Chemical compositions of main elements in TA15 titanium alloy（%，mass fraction）

實驗選用2800mm四輥可逆軋機,軋制力達到55000kN,確定最終生產規格為40mm×1700mm×3000mm的TA15鈦合金厚板。對最終軋制生產出的板材進行在線余溫多輥矯直并快速風冷至室溫。

1. 2　工藝方案

為了滿足降低材料成本和提高綜合性能的雙目 標, 最終確定采用多火次鐓拔鍛造來提高綜合性能, 并采用短流程軋制生產來降低材料成本。 將 3 t 鑄 錠進行中分切鍛造, 采用 4500 t 快鍛機 β 相區 (加 熱溫度為 1050 ~ 1150 ℃ , 保溫 7 ~ 9 h) +兩相區 (加熱溫度為 920 ~ 970 ℃ , 保溫 4 ~ 6 h) 多火次鐓 拔鍛造工藝, 保證鍛造比不小于 5 ~ 7, 最終加工至 (190~220) mm×900 mm +100 ×1400 mm +100 的待軋制 板坯后進行軋制生產, 金相組織如圖 1 所示。 鈦合 金板材軋制工藝為: 一火加熱至 920 ~ 930 ℃ , 保溫 5~6 h 后進行開坯軋制, 進行 8 ~ 12 道次軋制后進 行回爐補溫 (920~930 ℃并保溫 2~3 h), 完成補溫 后進行換向軋制, 進行 3~ 6 道次軋制后再進行短保 溫換向, 軋制出最終成品板。 成品板經過在線余溫 多輥矯直機的矯直后, 到達冷床進行風冷至室溫。

1.3　實驗方案

TA15鈦合通過于α穩定元素Al進行固溶強化,屬于高Al當量的近α合金,它具有α合金所具備的良好的熱強性和可焊性。TA15鈦合金的相轉變溫度一般在980~1015℃左右,通常在退火態下使用,其退火態和TC4鈦合金相近,所以理論上存在TA15鈦合金熱處理強化的可能性。TA15鈦合金常用退火溫度為780~850℃,金相法測得板材相變點在996℃,為了探究短流程制備的TA15鈦合金性能區間,選取軋制態以及800、830、850、920和940℃/1h這6個熱處理制度進行對比實驗[5-6]。

2、結果與討論

2.1　熱處理板材金相組織對比

選取成品板線切割為40mm×100mm×100mm的試樣進行熱處理實驗,完成后進行金相與性能檢測。觀察不同退火溫度下的微觀組織形貌,如圖2所示。TA15鈦合金板材熱軋態的顯微組織由等軸狀α相、長條狀α相及少量的β組織組成。分析認為TA15鈦合金板材在兩相區軋制時,由于在高溫下長時間加熱,使得處于有利取向的晶粒迅速長大;在板材軋制時,板材上下表面受到強烈的剪切力,晶粒破碎較為充分,而位于板材中心的部位,受力狀況越接近于平面應力狀態,受到的剪切力較小,因此,板材中心的晶粒不容易破碎,最終一部分中心區域的長條狀組織被保留下來,呈現出等軸狀α相和長條狀α相[7]。

經過退火后的TA15鈦合金板材組織均呈現出典型的兩相區加工組織,原始β晶粒充分破碎,無連續的晶界α相存在。隨著板材經過退火處理,組織發生回復,部分長條狀α相球化為等軸狀α相,組織呈現為球狀α相、少量的長條狀α相及β轉變組織。此外,隨著退火溫度的升高,初生α相向β相溶解,在隨后的空冷中β相發生多型性轉變,析出片層狀次生α組織,片層狀次生α組織累積形成α集束,殘余的β相位于次生α片層中間,α集束與殘余的β相形成β轉變組織。通過對照GJB2505A—2018[4]中TA15圖譜進行評級可以發現,在800~940℃退火的板材組織中,評級呈現出3~8級的狀態,均滿足GJB2505A—2018[4]中對于厚度為40mm的TA15鈦合金板材的微觀組織要求。

TA15鈦合金板材在較低溫度退火時,首先發生回復過程,表現為位錯減少,加工硬化效果減弱,隨著板材退火溫度的提高,長條狀α相發生“球化”,即再結晶;隨著退火溫度的進一步提高,微觀組織中初生α相向β相溶解,初生α相含量減少,在隨后的冷卻過程中β基體上析出片層狀次生α相[8]。

2.2　成品板材性能檢測對比

圖3a、圖3b為不同溫度下試樣的力學性能,可以更為直觀地看出在不同溫度下性能變化情況。

如表2所示,將完成熱處理后的6組試樣,參照GJB2505A—2018[4]進行力學性能檢測。室溫拉伸性能結果滿足標準要求,且伸長率和斷面收縮率提高的幅度很大;另外,在此基礎性能檢測之上加測了沖擊韌性和斷裂韌度,結果也表明板材在抵抗沖擊載荷時的能力和抵抗宏觀裂紋失穩擴展時的能力水平較高[9]。分析認為,隨著退火溫度的升高,再結晶程度進一步提升,當熱處理溫度來到830℃時,板材內α組織進一步球化,等軸α相比例增加,板材的殘余應力進一步得到釋放,組織更加均勻。而等軸α組織比例增加,提升了材料的塑性,其與板材的微觀組織形貌也是一致的。室溫拉伸強度達到最高匹配值。此外,隨著退火溫度的提高,再結晶體積分數上升,降低了材料軋制過程中產生的加工硬化效果[10]。

表 2 鈦合金板材熱處理后力學性能對比 Table 2 Comparison of mechanical properties for titanium alloy plates after heat treatment

由表2可知,隨著退火溫度的提高,板材室溫沖擊和斷裂韌度性能基本上呈上升趨勢。分析認為:首先,這是由于更高溫度的退火使得材料發生了更充分的回復與再結晶,改善了材料內部的缺陷和殘余應力,避免了裂紋的萌生;其次,更高溫度的退火形成了尺寸更大的α組織,對于裂紋的擴展起到阻礙作用,使得裂紋必須繞過α組織,增加了裂紋擴展的路徑,提升了材料的性能,故結果遠高于GJB2505A—2018的要求[11-12]。

2.3　成品板材超聲波檢驗

對TA15鈦合金板材采用接觸法進行雙面超聲波檢驗,板材儀器型號為USM100。探頭采用129FI×13,水作為探傷耦合劑,校準試樣采用Φ1.2mm的通孔直徑,檢驗結果如圖4所示。

圖4中橫向坐標代表厚度方向傳播距離,縱向坐標代表反射信號強度。板材探傷結果顯示:板材的噪聲水平在-20~-12dB內波動,未發現超標缺陷反射波信號[13],滿足GJB2505A—2018[4]對于TA15(B類)板材噪聲-9dB的要求;其次,雜波水平的高低與板材的微觀組織的均勻程度密切相關,這也反映了板材的微觀組織分布均勻。

3　結論

(1)對比不同溫度的退火制度,均呈現出典型的兩相區加工組織,原始β晶粒充分破碎,無連續的晶界α相存在,其中經830℃退火的微觀組織的均勻性更好。

(2)對比不同溫度的退火制度,整體室溫拉伸性能以及室溫沖擊和斷裂韌度,均能夠滿足GJB2505A—2018的要求,其中,經830℃退火試樣的室溫拉伸性能綜合表現較好。室溫沖擊和斷裂韌度隨著退火溫度的升高而逐步提升,整體均大幅度地滿足標準要求。

(3)短流程制備的TA15鈦合金板材能夠滿足標準的超聲探傷要求,且雜波水平遠遠低于標準要求的-9dB。

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