機械加工對鈦合金性能影響研究

發布時間：2024-09-28 10:05:13 瀏覽次數：

引言

鈦合金具有密度小、耐腐蝕、高比強度等特點，在海洋船舶、航空航天、石化、醫藥和汽車等工業領域應用較廣［1-2］。其中β鈦合金因其熱處理強化效果較好需求較大。國內相關學者對β鈦合金的成分、熱處理、微觀組織、性能進行了深入的研究，取得了一系列成果［3-7］。而關于機械加工對β鈦合金性能影響研究不多。

鈦合金棒

基于以上現狀，本文對采用鍛壓機械加工方式后的β鈦合金性能開展研究，揭示鍛壓機械加工對β鈦合金性能的影響，為β鈦合金的應用提供理論支撐。

1、試件制備與試驗方法

試驗采用β鈦合金成分為Ti-3Al-8V-4Mo－4Cr-4Zr-2Fe-2Nb，通過真空自耗電弧熔煉獲得鑄錠。對鑄錠進行鍛壓，在水壓機上進行，鍛壓溫度為初始溫度1100℃，最后溫度860℃，每次保溫60min，五火次鍛壓成Φ30mm的棒材，保證鍛造過程中保持成分均勻性。測試β鈦合金熔煉后化學成分(質量分數)如表1。

從鍛壓的β鈦合金棒材上用線切割切取圓柱型標準試樣，標距為25mm，直徑為5mm，尺寸如圖1所示，按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行靜載拉伸試驗。拉伸試驗溫度為室溫，在Instron5885電子萬能材料試驗機上進行，加載速度為1mm/min。使用HVS-50維氏硬度計測量維氏硬度，外加載荷值250g，載荷保持時間10s，取6個測試點取硬度平均值。

硬度計算公式如式1所示:

式中:P為外加載荷值(N)，d為壓痕對角線平均值(mm)。

采用OLYMPUS金相顯微鏡對β鈦合金的鑄造及鍛壓后的顯微組織進行金相觀察。主要觀察鍛壓加工后的晶粒、形貌、組織尺寸。金相試樣經砂紙研磨機械拋光后采用HF∶HNO₃∶H₂O=1∶3∶5(體積比)試劑進行腐蝕。

2、試驗結果與討論

2．1力學性能

圖2為β鈦合金經鍛壓后硬度值測試情況。

由圖2可知β鈦合金棒材因鍛壓中形變不均勻，外緣形變比中部大，其測試的硬度值表現為從外到內逐漸降低，提示需要進一步精細鍛壓及熱處理以達到材料從里到外硬度均勻一致性。

表2為β鈦合金經鍛壓后室溫拉伸測試數據統計，其抗拉強度在827～867MPa之間，伸長率為17．5%～20%，表征鍛壓后β鈦合金材料的塑性性能良好。

根據公式2可知β鈦合金強度由析出次生相的尺寸大小和體積分數決定，而試驗未對β鈦合金進行固溶處理，α相析出較少，含量較低，造成合金硬度相對低。

式中:σ為屈服強度，α_p為初生α相，α_s為次生α相，fα_p與fα_s分別為初生α相與次生α相體積分數，dα_p和dα_s分別為初生α相和次生α相晶粒尺寸。

2．2金相微觀顯微組織觀察

圖3為觀察到的β鈦合金鑄造后的金相顯微組織，從圖3中可以看出，β鈦合金內部晶界較為分明，有些無規則的線條存在晶體內部。晶粒平均尺寸大約為1500μm左右，構成有較多大尺寸的鑄造組織，合金內部個別地方觀察到氣孔等缺陷。

圖4(a)、(b)分別為β鈦合金經鍛壓后外緣部及中部的金相顯微組織圖片，和圖3鑄造金相組織圖進行對比可得出以下結論:β鈦合金經機械鍛壓加工后，初始鑄造金相顯微組織產生了較多變化，β鈦合金內部原始觀察到氣孔等缺陷基本不見或大幅降低。鈦合金的晶粒平均晶粒尺寸約為450μm左右，可觀察到β晶內部有矩形條狀孿晶且分布密度相對很高，β鈦合金晶粒相對鍛壓前較細。對比圖4(a)、(b)外緣部及中部的金相顯微組織圖片可知β鈦合金外緣部晶粒相對均勻，尺寸小而細，中部晶粒尺寸大且不均勻分布，存在小再結晶與大尺寸晶粒組成的混晶。根據Hall-Petch公式(公式如式3所示)可知鍛壓后β鈦合金晶粒細小可提高合金材料的屈服強度，使材料的塑性性能得到改善。