鍛造和熱處理工藝對航空船舶用TC4鈦合金顯微組織和沖擊韌度的影響

發布時間：2023-09-02 15:15:28 瀏覽次數：

引言

TC4(Ti-6Al-4V)合金屬于α＋β型鈦合金，比強度高、耐蝕性好，被廣泛應用于航空、航天及船舶制造等領域[1-2]。不同工藝鍛造或熱處理的TC4鈦合金α和β相的數量、比例、形態和性能均有較大差異[3-4]。鍛造的TC4鈦合金葉片需進行熱處理以獲得所需的組織和性能。為確保力學性能符合要求，可通過熱處理控制α相的含量、尺寸和形態[5]。王曉燕等[6]通過熱處理來控制鈦合金中初生和次生α相的含量，改善材料的力學性能。沖擊性能是TC4鈦合金鍛件的重要質量指標，但對α相的含量及形態對鈦合金沖擊韌度的影響的研究較少。本文研究了鍛造溫度、鍛后冷卻速率和熱處理工藝對TC4鈦合金顯微組織和沖擊韌度的影響。

1、試驗材料和方法

試驗用TC4鈦合金采用真空自耗電弧爐熔煉，并鍛造成φ120mm棒材，化學成分如表1所示。

從棒材的1/2半徑處取樣制備夏比U型缺口沖擊試樣，尺寸為58mm×58mm×11mm，按表2工藝進行熱處理。按GB/T 229進行沖擊試驗。按GB/T 5168采用LEICA-DMTRM圖像分析儀對沖擊試樣進行金相檢驗，試樣用10ml氫氟酸＋25ml硝酸＋65ml水的混合液浸蝕，采用平均值測量法評定初生α相晶粒度。

隨后研究了鍛造溫度、鍛后冷卻方式對合金顯微組織的影響。葉片坯料的制作工序為:下料→制坯→鍛造→熱處理→檢測。表3為鍛造工藝，5組試驗葉片的熱處理工藝均為７00℃保溫2ｈ空冷。從葉片鍛件根部取樣進行橫向金相檢驗。圖1為TC4合金葉片鍛件的外形。

2、試驗結果與分析

2.1熱處理工藝對沖擊性能和顯微組織的影響

2.1.1沖擊性能

圖2為經不同工藝熱處理的TC4合金的室溫沖擊性能。800℃爐冷的合金沖擊性能較好，比800℃空冷的合金提高了約10％。７00℃空冷的合金沖擊性能無明顯變化。固溶處理隨后７50℃時效的合金沖擊性能較好，與７00℃時效的合金相比沖擊性能提高了約12％。

TC4鈦合金的沖擊韌度與其抗臨界裂紋形成和抗裂紋擴展性能有關。TC4合金固溶處理前組織為典型的α＋β相，冷變形性能和耐磨性較差，對其進行固溶處理是為了獲得穩定的等軸α相或彌散的馬氏體α′相和亞穩定β相。退火后冷卻越快，α′相越多。α′相含有大量位錯，沖擊韌度較差。退火爐冷時，β相中次生α相明顯變寬，爐冷產生的次生α相是韌性相。在退火爐冷形成的組織中，裂紋擴展至次生α相時將改變方向，從而提高材料韌性，因此退火爐冷的合金沖擊韌度最高。

2.1.2顯微組織

圖3為經不同工藝熱處理的TC4合金中初生α相的含量和尺寸。由圖3可知，隨著退火溫度的升高，合金中初生α相含量沒有變化，其平均直徑略有增大，與爐冷的合金相比，800℃空冷的合金初生α相晶粒較粗大。時效溫度從７00℃提高至７50℃，合金中初生α相含量提高了約21％，平均直徑降低了6％。固溶和時效處理的合金顯微組織中初生α相含量及平均直徑遠小于退火處理的合金。

圖4為經不同熱處理工藝處理的TC4合金的顯微組織。普通工藝退火的TC4合金顯微組織為球狀α相＋細小次生α′相＋晶間β相；固溶和時效處理的合金則為球狀α＋細條狀α相＋固β相。固溶處理形成的亞穩定α相在熱力學上是不穩定的，時效加熱時將發生分解，分解產物為平衡態α＋β。從圖4可以看出，退火態合金中初生α相含量較多，晶粒較粗大，且等軸化程度優于固溶＋時效處理的合金。隨著時效溫度的升高，組織粗化，析出的α相含量增多尺寸增大。

2.2鍛造工藝對合金顯微組織的影響

圖5為不同溫度鍛造隨后退火的TC4合金葉片的顯微組織，為典型的雙相組織。不同溫度鍛造的TC4合金葉片初生α相含量及其平均直徑如圖6所示。這些結果表明，隨著鍛造溫度的升高，葉片中初生α相含量減少、其晶粒尺寸減少。這是因為958℃已接近TC4鈦合金的相變溫度，大部分初生等軸α相已轉變為β相。

圖７為938℃鍛造隨后退火的TC4合金葉片的顯微組織，也是典型的雙相組織。鍛后以不同方式冷卻的葉片中初生α相含量及其平均直徑如圖8所示。這些結果表明，隨著鍛后冷卻速度的提高，葉片中初生α相平均直徑減小，水冷的葉片初生α相尺寸明顯小于風冷和空冷的葉片，且水冷的葉片初生α相被明顯拉長，說明鍛后冷卻速度對葉片初生α相的形態有較大影響，而對初生α相含量的影響不明顯。這是由于初生α相含量主要受溫度的影響。