TC16( Ti-3Al-5Mo-4.5V)合金屬于馬氏體型( α +β)兩相鈦合金,因合金比強(qiáng)度、塑性高,抗疲勞﹑焊接和淬透性良好等優(yōu)異特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、冶金﹑船舶、國防、醫(yī)療、油田和汽車等領(lǐng)域,是制造緊固件理想的材料之一。隨著各國航空工業(yè)飛速發(fā)展,鈦合金緊固件應(yīng)用比較普遍,具有良好的減重效果,且是鈦合金、碳纖維復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)件必須的連接件[2]。當(dāng)前飛機(jī)構(gòu)件多采用機(jī)械連接[4],這對緊固件用鈦合金材料的各項(xiàng)性能提出了更高要求。俄羅斯長期使用TC16合金作為制造緊固件的材料,但對生產(chǎn)過程中合金組織演變及組織對力學(xué)性能的影響缺少全面系統(tǒng)的試驗(yàn)與分析[5]。國內(nèi)對TC16合金做了一些探索研究,如吳崇周等[6·]系統(tǒng)分析了退火制度、固溶時效,冷變形強(qiáng)化等因素對TC16合金組織和性能的影響;張志強(qiáng)等[5研究了淬火溫度對TC16合金顯微組織和變形行為的影響。熱處理制度是保證TC16 鈦合金棒材工藝性能的重要因素,也是TC16鈦合金高性能的保證[8],因此,本文以TC16合金為研究對象,研究了不同熱處理制度對該合金組織演變及組織對力學(xué)性能的影響規(guī)律。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用材料是采用真空自耗電弧爐熔煉的TC16合金,其具體化學(xué)成分見表1 ,坯料鑄錠經(jīng)開坯、鍛造、精鍛、軋制成b12 mm的棒材,通過金相法測定的TC16合金相變點(diǎn)為T。=850 ℃。

TC16鈦合金相變點(diǎn)為T。=850℃,固溶處理選擇在700 ~900 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行,固溶時間選擇為30 min。本次試驗(yàn)對b12 mm的小棒材分別在780、800、850、900 ℃下進(jìn)行固溶處理,保溫時間為30 min ,對每一溫度下固溶處理的試樣分別采用空冷(AC)、爐冷( FC),水冷(WQ)方式進(jìn)行冷卻。固溶處理后,選用固溶處理為800 ℃ x 30 min + WQ的試樣再分別在520、560和 600℃保溫2、4,8,16 h空冷進(jìn)行時效處理,后對其組織進(jìn)行金相( OM)對比分析,并測試其冷卻后試樣的室溫拉伸性能,所用試驗(yàn)設(shè)備為AxioVert.A1研究級倒置數(shù)字材料顯微鏡和Instron1 185力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

熱處理對棒材力學(xué)性能的影響

如圖3所示,隨著固溶溫度的升高,合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先降后升,在850℃出現(xiàn)低谷分別僅為827、777 MPa ,伸長先升后降,總體來看,固溶溫度對該合金塑性影響不大。隨著固溶溫度的升高,形成的α"馬氏休逐漸增加, 而α"馬氏體在分解時不產(chǎn)生強(qiáng)化作用,屈服強(qiáng)度首先大幅降低,因?yàn)閬喎€(wěn)定β相和α"馬氏體相在應(yīng)力作用下容易發(fā)生分解,拉伸試驗(yàn)時亞穩(wěn)定的β相析出α"相,α"相等溫加熱會發(fā)生分解,可使合金在較低應(yīng)力下發(fā)生塑性變形,促使其屈服強(qiáng)度急劇下降,同時分解出的被β相穩(wěn)定元素所飽和的α"相在均熱條件下又會析出較穩(wěn)定的β相,這使其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度又有所升高。

在相同固溶時效處理制度下,隨著時效時間延長，TC16鈦合金強(qiáng)度也隨之提高,原因是時效時細(xì)小彌散物大量析出,時效時間越長,彌散物顆粒越多,從而提高固溶體強(qiáng)度。另外,隨著時效時間的延長及溫度的提高,會出現(xiàn)析出彌散物顆粒聚集的現(xiàn)象,從而使時效強(qiáng)化作用減弱,這會導(dǎo)致鈦合金棒材塑性的增加。TC16鈦合金在780℃固溶處理并隨后以2~4 C/min隨爐冷卻至550℃左右,后在空氣中冷卻可以得到較理想的(α-β)組織,且具有穩(wěn)定、良好的綜合性能,因此在制定固溶加時效工藝參數(shù)時可把780℃左右固溶作為參數(shù)[9],以深挖TC16鈦合金的材料性能。

表2為TC16鈦合金棒材不同熱處理工藝處理后的室溫拉伸性能測試結(jié)果。不同熱處理工藝處理后的室溫拉伸性能性能差異較大。高溫水淬時,合金中的β和α"相能穩(wěn)定存在,隨固溶溫度提高,合金的抗拉強(qiáng)度變化不大,而屈服強(qiáng)度則先降后升,伸長率和面縮先升后降;空冷時,亞穩(wěn)態(tài)β相部分分解形成強(qiáng)化合金的彌散析出物,合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度在800 ℃出現(xiàn)低谷,而塑性參數(shù)則相反;爐冷時,合金拉伸性能參數(shù)穩(wěn)定,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化不大,伸長率超過800 ℃時其值恒定,面縮率隨著溫度的升高緩慢下降。

結(jié)論

1 ) TC16鈦合金800 ℃進(jìn)行固溶處理,初始組織為初生α相和亞穩(wěn)態(tài)β相,隨著固溶溫度的升高,合金晶粒有所長大,且亞穩(wěn)態(tài)β相會發(fā)生α"馬氏體轉(zhuǎn)變,o"馬氏體相略有長大,會使晶粒均勻,當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃后,會使α"馬氏體析出晶界完整的β相,最后形成魏氏組織。

2)固溶溫度對TC16鈦合金塑性影響不大,相同固溶時效處理制度下,隨著時效時間延長,細(xì)小彌散物大量析出,時效時間越長,彌散物顆粒越多,且隨著時效時間的延長及溫度的提高,析出的彌散物顆粒發(fā)生聚集,從而使時效強(qiáng)化作用減弱,這些因素會導(dǎo)致鈦合金棒材強(qiáng)度和塑性略有提高。

3 ) TC16鈦合金在780℃固溶處理并隨后以2~4 ℃/min隨爐冷卻至550℃左右,后在空氣中冷卻可以得到較理想的( α-β)組織,且具有穩(wěn)定、良好的綜合性能,固溶加時效工藝參數(shù)時可把780℃左右固溶作為選參數(shù)。