引(yin)言(yan)
钛及钛合(he)金具有(you)比强(qiang)度高(gao)、耐腐蚀(shi)性(xing)好(hao)、耐热(re)性能(neng)好、无磁性等(deng)特点,用(yong)其(qi)生(sheng)产的紧固(gu)件在(zai)飞机(ji)上(shang)使(shi)用(yong)不(bu)仅可(ke)以(yi)达到(dao)减(jian)重(zhong)、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)的(de)目的(de),而(er)且(qie)是(shi)钛合(he)金、碳(tan)纤(xian)维复合(he)材料等结(jie)构(gou)件(jian)必(bi)须的(de)连(lian)接件(jian),因(yin)此成为现代(dai)航(hang)空(kong)航(hang)天工(gong)业中非(fei)常(chang)有前途(tu)的(de)金属(shu)结构材料。TC16钛合(he)金属(shu)于TiＧAlＧMoＧV系α＋β型高(gao)强钛(tai)合(he)金,该(gai)合金主要(yao)在热(re)处(chu)理强(qiang)化(hua)状(zhuang)态下(xia)使(shi)用(yong),本文将分析(xi)研究其在(zai)钛(tai)棒材(cai)生产过(guo)程(cheng)中(zhong)热(re)处理(li)强化工艺(yi)参数的(de)确定(ding)。
1、热(re)处(chu)理试验(yan)
1.1材料(liao)
试验(yan)材(cai)料(liao)选(xuan)用Φ6mm棒(bang)材(cai),通过(guo)金(jin)相(xiang)分析法测得试(shi)验铸锭的(de)相变(bian)点(dian)为860℃~865℃,棒材(cai)锻(duan)态(tai)组织(zhi)如(ru)图1所(suo)示。
1.2热(re)处理工(gong)艺及(ji)结果
本(ben)试(shi)验依(yi)据(ju)标(biao)准GJB3763A—2004《钛及(ji)钛(tai)合(he)金热处理》制定(ding)了TC16成(cheng)品棒(bang)材(cai)相应的热(re)处(chu)理(li)试验(yan)工艺,见表(biao)1。
从表1中可以看出:本试验(yan)制(zhi)定了4份(fen)退(tui)火工(gong)艺(yi),共(gong)2类(普(pu)通退火、双(shuang)重退火(huo)),根据(ju)钛及(ji)钛(tai)合(he)金紧固件力(li)学(xue)性能(neng)测试(shi)取样(yang)要求,每(mei)份工(gong)艺(yi)试样为(wei)5组(zu)。
对根据表1热处(chu)理(li)工(gong)艺(yi)热(re)处(chu)理后(hou)的试样进行了力学(xue)性(xing)能及工艺性(xing)能的测试(shi),其结(jie)果(guo)如(ru)表2所示(shi)。
由表2可(ke)知:780℃保(bao)温(wen)2h后(hou)空(kong)冷(leng)的(de)热(re)处理工艺中(zhong),所测(ce)试(shi)的(de)5组力(li)学性能中(zhong)有3组抗(kang)拉(la)强度(du)Rm不(bu)能(neng)满(man)足产(chan)品(pin)性(xing)能要(yao)求(qiu),且(qie)在测(ce)试冷顶(ding)锻(duan)工艺性(xing)能(neng)时,均产生(sheng)开裂;780℃保温(wen)2h随炉(lu)冷(leng)至(zhi)550℃后空(kong)冷的热处(chu)理(li)工艺中有(you)3组断(duan)面收(shou)缩(suo)率Z低(di)于(yu)产(chan)品(pin)性能要(yao)求;另(ling)外的两份(fen)退(tui)火工艺中,其力(li)学性能(neng)均(jun)满足要求(qiu)。
对比满(man)足要(yao)求的两份退(tui)火工艺,双(shuang)重(zhong)退火(huo)的Rm值平(ping)均高76MPa,Z值较稳(wen)定(ding)且略高1％,冷顶(ding)锻工(gong)艺性(xing)能均合(he)格(ge)。因此,从力学性能是否能够满(man)足(zu)要(yao)求的(de)角(jiao)度(du)来(lai)看:我(wo)们可(ke)以(yi)选(xuan)择出780℃保(bao)温(wen)2h,炉(lu)冷(leng)至500℃后空冷热(re)处理工(gong)艺(yi)及(ji)780℃保(bao)温(wen)2h,空冷(leng),再(zai)在(zai)630℃保温(wen)4h,空冷的(de)热处(chu)理(li)工艺较(jiao)适合(he)产(chan)品要(yao)求。
2、试验结果(guo)分析(xi)
TC16棒(bang)材各种退(tui)火状态(tai)下(xia)的(de)显微(wei)组(zu)织(zhi)如图2所(suo)示(shi)。
众所周知(zhi),α＋β两相(xiang)合(he)金和(he)亚稳定β型钛(tai)合金退火时除再结(jie)晶过(guo)程外还(hai)可(ke)能发(fa)生(sheng)与(yu)相变(bian)有关的组(zu)织性(xing)能的(de)变(bian)化,TC16这(zhe)种β稳(wen)定元素(su)含(han)量较(jiao)高的(de)钛合(he)金的显微组(zu)织一般都(dou)呈(cheng)多边形化(hua)。另(ling)外,经(jing)过(guo)热(re)变形后(hou)的(de)两相(xiang)钛(tai)合(he)金,不(bu)仅发生(sheng)回(hui)复(fu)和再结(jie)晶(jing),还存(cun)在(zai)亚(ya)稳定(ding)β相的(de)分(fen)解(jie)。退(tui)火(huo)钛合金(jin)的(de)综合(he)机(ji)械(xie)性能的(de)好坏很大程(cheng)度上(shang)取(qu)决于多边形和(he)亚稳(wen)定β相的分解哪一个先发(fa)生(sheng),多边形化(hua)先发生(sheng)是(shi)所希(xi)望(wang)的。在(zai)图2中(zhong),我们(men)可(ke)以(yi)发(fa)现(xian)α相(xiang)完全(quan)多边(bian)形(xing)化了(le),这样(yang)可以(yi)推断TC16钛合(he)金(jin)在780℃退火时(shi)首(shou)先(xian)发生的(de)是多边形(xing)化。
观察(cha)图(tu)2(a)~图2(d)显(xian)微(wei)组织(zhi),可以(yi)发(fa)现(xian)在(zai)相同(tong)的(de)退(tui)火温度(du)下(xia)保温(wen)相(xiang)同的时间后,仅仅(jin)是由于热(re)处(chu)理(li)工艺(yi)中的冷却(que)方(fang)式(shi)发生变(bian)化(hua),而导致(zhi)4种热处(chu)理(li)工(gong)艺下的显(xian)微(wei)组织产生(sheng)了(le)不(bu)同之(zhi)处(chu);比较4种金(jin)相(xiang)图发现,图2(c)、图(tu)2(d)的α相(xiang)含(han)量较(jiao)图2(a)、图(tu)2(b)的金(jin)相(xiang)组(zu)织中α相含量(liang)多,同(tong)时(shi)可以(yi)注意(yi)到,图2(d)中(zhong)的α相和(he)β相(xiang)分(fen)布(bu)更加(jia)弥(mi)散。结合(he)表2可(ke)知:采用随(sui)炉(lu)冷(leng)却到一定温(wen)度后(hou)再(zai)空(kong)冷的(de)冷(leng)却方(fang)式,材(cai)料力(li)学性(xing)能的(de)稳(wen)定(ding)性较好。这(zhe)一(yi)现象与相(xiang)关资(zi)料(liao)研(yan)究得到的(de)结(jie)论相吻(wen)合,以(yi)2℃/min~4℃/min的速(su)度炉(lu)冷时(shi),可以(yi)得到(dao)相(xiang)当稳定(ding)的α＋β组织。至(zhi)于(yu)各工艺之间机械(xie)性(xing)能存在(zai)高(gao)低(di)不等的差异(yi),这与(yu)其他(ta)的两相合(he)金一样,在冷(leng)却方(fang)式发(fa)生(sheng)变(bian)化后(hou),TC16钛合(he)金(jin)中(zhong)α相(xiang)和(he)β相的(de)分(fen)布比例(li)会产生变(bian)化(hua),从(cong)而引起材料(liao)机械(xie)性(xing)能的(de)变化。
TC16钛合(he)金(jin)棒(bang)在靠近“临界(jie)温度”780℃的温度下即(ji)780℃退(tui)火后(hou)空冷时(shi),强(qiang)度特性较高(gao)(见(jian)表(biao)2),且(qie)塑性特性(xing)仍(reng)然能够保(bao)持很高,这(zhe)主(zhu)要是空冷(leng)并不(bu)能(neng)使(shi)亚稳(wen)定β相(xiang)固定下来(lai),这(zhe)些(xie)亚(ya)稳定(ding)β相发生了部(bu)分的分解。对比图2中(zhong)的(de)4种(zhong)显微组(zu)织(zhi),还可(ke)以发(fa)现TC16钛(tai)合金的退(tui)火(huo)组织(zhi)是α相(xiang)和(he)β相(xiang)的(de)混(hun)合组织(zhi),在两相(xiang)区(qu)靠(kao)近Ac3点时(Ac3点为(wei)α相(xiang)转变为(wei)β相(xiang)的(de)开始温(wen)度,TC16钛合(he)金(jin)的Ac3点(dian)是800℃)晶粒(li)实际上(shang)是(shi)不(bu)长大的。
双(shuang)重退火(huo)的(de)第(di)一阶段(duan)中(zhong)组(zu)织(zhi)及相(xiang)组成的特点(dian)如(ru)上(shang)所(suo)述(shu),在空(kong)冷(leng)过(guo)程(cheng)中没(mei)有(you)分解(jie)的(de)亚(ya)稳定(ding)β相(xiang)在(zai)第(di)二(er)阶段(duan)继续并完全分(fen)解(jie),亚稳定β相的分(fen)解(jie)方式(shi)可以简单(dan)地(di)表示(shi)为(wei):
β亚(ya)稳(wen)定→β亚(ya)稳(wen)定(ding)＋α→β＋α。这个过程在(zai)电子(zi)金相(xiang)研(yan)究(jiu)中可(ke)以被观察到(dao),最终的显微组织(zhi)如图(tu)2(d)
所(suo)示(shi),具(ju)有(you)更(geng)加弥散的(de)α相组织(zhi)且(qie)其(qi)含(han)量(liang)远远高于(yu)β相(xiang)的(de)含(han)量。在(zai)表2中,双(shuang)重(zhong)退(tui)火状态(tai)下(xia)的强度(du)较(jiao)之其他(ta)几(ji)种(zhong)退火(huo)状(zhuang)态(tai)下(xia)的要高些(xie),这(zhe)是与(yu)亚稳定β相的(de)分(fen)解弥散(san)强(qiang)化相关的(de);双重退(tui)火(huo)状(zhuang)态(tai)下(xia)的(de)塑性也(ye)比较(jiao)高,这(zhe)与α相含(han)量(liang)有相(xiang)当的(de)关(guan)系(xi),因此可以解释在(zai)两种退(tui)火(huo)状(zhuang)态下(xia)的冷顶(ding)锻试验中,空冷(leng)方(fang)式全部(bu)开(kai)裂而(er)双重退(tui)火状(zhuang)态下全部(bu)合(he)格的(de)测(ce)试(shi)结果(guo)。
3、结(jie)论
(1)780℃保(bao)温(wen)2h后(hou)以(yi)2℃/min~4℃/min的速(su)度(du)炉(lu)冷至400℃~500℃,然后(hou)在(zai)空(kong)气(qi)中(zhong)冷(leng)却(que),可(ke)保证(zheng)最大的塑(su)性和最(zui)小的强(qiang)度(du)。
(2)780℃保(bao)温(wen)2h后在(zai)空气(qi)中冷(leng)却(que),再在630℃保(bao)温4h,空(kong)冷,即(ji)可保(bao)证最(zui)大(da)的塑性和也可(ke)具(ju)有相当(dang)高(gao)的强度。
(3)双重(zhong)退(tui)火可使(shi)亚(ya)稳(wen)定(ding)β相的分解(jie)产生(sheng)弥散(san)强(qiang),冷(leng)顶锻测试性(xing)能(neng)全(quan)部(bu)合格。
参(can)考(kao)文(wen)献(xian):
[1]王金(jin)友,葛志(zhi)明,周(zhou)彦(yan)邦．航空用(yong)钛(tai)合(he)金[M]．上(shang)海(hai):上(shang)海(hai)科学(xue)出(chu)版社(she),1885．
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