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時(shí)效溫度對TC20鈦合金鍛造棒材組織與性能的影響

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鈦及鈦合金因其密度小、比強度高、耐腐蝕和生物相容性好等優(yōu)良性能,是極其重要的輕質(zhì)結構材料,廣泛用于航空航天以及生物醫學(xué)等領(lǐng)域,具有重要的應用價(jià)值和廣闊的應用前景,與傳統同類(lèi)醫用鈦合金TC4相比而言,TC20鈦合金選用原子濃度相同且性能與組織穩定、無(wú)毒害作用的Nb替代V,解決了TC20鈦合金作為醫用置換術(shù)關(guān)鍵性材料的難題。

固溶時(shí)效又稱(chēng)強化熱處理,通過(guò)調控鈦合金相變過(guò)程實(shí)現強化效果,是TC20等α+β型合金最主要的熱處理方式。目前對于TC20的工業(yè)化研究只限于熱連軋線(xiàn)材與板材軋制等領(lǐng)域,而對于全流程等溫鍛造的小規格棒材組織與性能的研究相對較少,為此本文研究了不同時(shí)效溫度下TC20鈦合金鍛造棒材的組織演變及熱處理工藝對其組織和性能的影響,旨在為全流程鍛造生產(chǎn)的TC20小尺寸鈦合金棒材提供生產(chǎn)經(jīng)驗。


試驗材料以及方法

試驗所用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn),經(jīng)真空自耗電弧爐二次熔煉的φ696mm錠型鑄錠,經(jīng)過(guò)β區開(kāi)坯鍛造+兩相區鍛造(鐓粗和拔長(cháng))+兩相區徑向鍛造等一系列工序生產(chǎn)的φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的試驗方法測得化學(xué)成分見(jiàn)表1,經(jīng)金相法測得該棒材本體相變點(diǎn)為1001℃。

表1鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分數,%)


熱處理試驗在箱式電阻爐中進(jìn)行,表2為熱處理制度;檢測顯微組織采用Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡,利用Clemexe成像軟件配合光學(xué)顯微鏡確定顯微組織中初生α相的體積分數,室溫拉伸性能檢測使用Instron 5885電子萬(wàn)能材料試驗機,室溫沖擊韌性使用JNS 300擺錘式?jīng)_擊試驗機。

表2經(jīng)鍛棒材熱處理制度

試驗結果與討論分析

時(shí)效溫度對材料微觀(guān)組織的影響

TC20固溶時(shí)效主要依靠轉變β組織在后續的長(cháng)時(shí)間時(shí)效過(guò)程中析出彌散的α固溶體,使合金在強韌性方面得到協(xié)同提高。TC20鈦合金鍛棒在經(jīng)相區固溶+時(shí)效處理后的顯微組織為典型的混合組織,由初生的等軸α相與β轉變組織組成,如圖1(a)所示。經(jīng)950℃高溫固溶隨后空冷,會(huì )獲得大量的針狀次生α相及少數殘留β相,在隨后的低溫時(shí)效過(guò)程中,形成少量時(shí)效ω相和β相。隨著(zhù)時(shí)效溫度的不斷升高,初生α相含量與尺寸變化不大,這是由于950℃固溶溫度在TC20合金相變點(diǎn)附近,較高的固溶溫度使得過(guò)飽和度增大,而轉變β組織在熱力學(xué)上屬于亞穩相,隨后的時(shí)效過(guò)程屬于亞穩相的緩慢分解與析出,而亞穩相的分解與析出優(yōu)先在晶界等能量較高的位置發(fā)生,對于尺寸較大的初生相基本不會(huì )產(chǎn)生影響。次生α相片層對隨后的時(shí)效溫度更加敏感,在時(shí)效過(guò)程中,次生片層α相從β晶界、α/β相界及α相晶內析出,其形貌表現為細長(cháng)而又平直的松針狀,如圖1(d)所示。并且次生α形貌以及尺寸隨著(zhù)時(shí)效溫度的升高發(fā)生趨勢性變化:⑴當時(shí)效溫度為500/525℃時(shí),次生α相與其相組元之間的邊界比較模糊,而隨著(zhù)時(shí)效溫度的不斷升高,次生α相與周?chē)渌M元之間的邊界逐漸變得清晰;⑵隨著(zhù)時(shí)效溫度的不斷升高,次生α相的形貌由細針狀逐漸變得短粗,進(jìn)而當溫度達到600℃時(shí),變成典型的板條狀聚集分布,寬度達到500℃試樣的1.3~2倍。


圖1不同時(shí)效溫度下的顯微組織

次生細針狀α相片層組織的形貌粗化是一種外界溫度驅動(dòng)下的熱力學(xué)激活過(guò)程,并且時(shí)效溫度越高,為此激活過(guò)程會(huì )提供更多的生長(cháng)驅動(dòng)力,同時(shí)降低了系統中次生組元的形核速率,當系統處于一定的溫度下,其次生α相的形核速率減慢,而此時(shí)的生長(cháng)驅動(dòng)力加快,進(jìn)而必將促使次生片層α相發(fā)生粗化,而其粗化速率受到溶質(zhì)原子的擴散率所控制。

組織與力學(xué)性能的相關(guān)性討論

TC20合金鍛造棒材不同時(shí)效狀態(tài)下力學(xué)性能見(jiàn)表3,棒材經(jīng)固溶時(shí)效處理后,組織中析出大量次生片層狀α相,此時(shí)當沖擊形成的裂紋向材料內部擴展遇到取向不同的次生α片層時(shí),裂紋會(huì )發(fā)生分解,使得一大部分裂紋方向發(fā)生改變,隨之沿著(zhù)次生α片層的最易動(dòng)位向進(jìn)行擴展,而大量次生α片層之間相互縱橫交叉,次生裂紋的擴展方向會(huì )不斷發(fā)生改變,所以α片層形貌上的粗化現象,會(huì )導致斷裂韌性值不斷下降,時(shí)效溫度高于550℃之后,斷裂韌性值降低很快;就材料強韌性而言,500~550℃之間時(shí),其抗拉強度降低不多,力學(xué)性能比較平穩(降幅在1.01%),并且延伸率增幅較大(增幅在25.9%),隨后當溫度高于550℃時(shí),其延伸率急劇下降后又逐漸恢復平穩狀態(tài)。結合室溫拉伸性能與沖擊性能,當固溶時(shí)效制度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shí),斷裂韌性值為56J/cm2,抗拉強度為910MPa,延伸率為19%,實(shí)現了材料強韌化的協(xié)同提高。

表3不同時(shí)效狀態(tài)下力學(xué)性能


結論

⑴TC20鈦合金鍛棒在固溶時(shí)效處理后為典型的混合組織,并且隨著(zhù)時(shí)效溫度的不斷升高,次生α相的形態(tài)由細針狀逐漸轉變?yōu)榘鍡l狀,發(fā)生熱激活下的粗化現象。

⑵初生α相的含量以及形貌對試驗所設時(shí)效溫度不敏感。

⑶固溶時(shí)效制度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時(shí),斷裂韌性值為56J/cm2,抗拉強度為910MPa,延伸率為19%,實(shí)現了鍛造棒材強韌化的協(xié)同提高。