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钛合金显微组织结构与力学性能关系

日期:2020-3-26

n  钛合金显微组织结构与力学性能关系

钛合金工艺决定显微组织结构,显微组织结构决定力学性能。在生产实践中,通过金相显微镜观察,人们往往进行反推,即根据所要求的力学性能,判断最优的组织状态,然后根据所需要的组织状态,进行合金热加工和热处理工艺的优化。在这个过程中,组织和性能的关系成为最为关键的步骤。

一般的组织与性能的关系,通过大量的测试和实践,已经形成了一定的共识。钛合金四种典型组织形态合金力学性能的一般关系见表1,每一种组织都有其对应的力学性能优势项和劣势项。然而,现代航空飞行材料的综合服役条件,越来越要求材料具有较好的综合力学性能。所以,目前对材料较高要求的综合力学性能和材料性能只能满足部分优势性能的矛盾是钛合金材料加工和工程应用的主要矛盾。为了缓解这一矛盾,人们不断通过工艺的创新,进行组织的最佳化。比如近β、准β、多重热处理的推出,都是一定程度牺牲工艺的便利性,获得最优化的组织形态,从而获得最佳的综合力学性能。

 

1  钛合金四种典型组织形态与合金力学性能的一般关系

 

同显微组织结构对合金力学性能的影响显微组织对室温强度和塑性的影响

一般认为,合金随着初生α相的减少,强度下降,塑性升高,所以从等轴组织到双态组织到片层组织,合金塑性逐渐降低,强度逐渐升高。在不同组织状态下TC4合金的室温力学性能见表2

 

不同组织状态下TC4合金的室温力学性能

 

显微组织对断裂韧性和裂纹扩展速率的影响

关于组织对钛合金断裂韧性、裂纹扩展速率的影响,通过大量的研究,目前已经得出一些规律,即在β区变形或β区热处理获得的片层状组织结构,可获得更高的断裂韧性和抗裂纹扩展速率。其解释是由于原始β晶界和α集束的影响,裂纹容易分叉而形成次生裂纹,所以裂纹在片状组织中的扩展路径更曲折,导致裂纹总的长度增加,需要消耗更多的能量。两种典型组织状态下TC4合金的性能见表3。不同组织状态下TC11合金的性能见表4.

 

 

 

两种典型组织状态下TC4合金的性能

机械性能

魏氏组织

等轴组织

拉伸强度/MPa

1020

961.1

延伸率/%

9.5

16.5

断面收缩率/%

19.5

45

断裂韧性/MPa·m1/2

102

58.9

 

不同组织状态下TC11合金的性能

组织类型

热处理制度

Rp0.2/MPa

A/%

断裂韧性/MPa·m1/2

等轴组织

双重退火

1018

14.8

73.1

网篮组织

双重退火

1083

12.8

91.9

双态组织

强韧化

1098

16.8

88.6

 

显微组织对合金热强性的影响

钛合金的热强性反应材料在高温条件下抵抗变形的能力,通常研究最广泛的性能有高温下的瞬时强度、持久强度和蠕变强度。大量的研究表明:片状组织的热强性要比球状组织的高。当晶粒尺寸增大并使晶粒结构由球状变为片状组织时,持久强度先是增加,然后降低,合金的抗蠕变能力随着β晶粒尺寸的增大而提高。在钛合金四种典型组织形态中,网篮组织的热强性最好,即网篮组织具有最好的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度的综合性能。魏氏组织次之,等轴组织热强性最低。TC11合金的热强性与组织类型的关系见表5

 

5  TC11合金的热强性与组织类型的关系

组织对疲劳性能的影响

光滑试样在对称循环高频应力作用下,等轴组织比片状组织有更好的疲劳强度,同时,组织越细小疲劳性能越好。在四种典型的组织状态下,等轴组织的疲劳性能最好,其次是双态组织,再次是网篮组织,魏氏组织的疲劳性能最差。表6所示为不同组织对TC6合金疲劳性能的影响。

 

不同组织对TC6合金疲劳性能的影响

钛合金显微组织结构的设计现代飞行器的高速发展,对材料的应用性能也提出了新的要求,即现代航空工业结构设计和选材的五项基本因素:“未损伤”材料的静强度及刚度;“未损伤”材料的疲劳性能;高温使用时的蠕变、持久和热稳定性;有损伤材料的静强度;有损伤材料的疲劳性能。材料选材判据与组织性能的关系见表7。可以看到这些性能对组织的要求具有不可调和的矛盾,所以在现实工程应用中,就需要针对合金要求的力学性能,进行组织的设计,即根据要求设计特有组织或“中间”组织,满足合金力学性能指标要求。以下就典型的两类钛合金—高温钛合金和高强韧钛合金的组织设计进行说明。

 

材料选材判据与组织性能的关系

选材要素

主要力学性能表征

最优的组织状态

“未损伤”材料的静强度及刚度

室温强度

片层组织

室温塑性

等轴组织

“未损伤”材料的疲劳性能

高周疲劳

等轴组织

低周疲劳

片层组织

高温使用时的蠕变、持久和热稳定性

高温蠕变

片层组织

高温持久

片层组织

热稳定

等轴组织

有损伤材料的静强度

断裂韧性

片层组织

有损伤材料的疲劳性能

裂纹扩展速率

片层组织

 

高温钛合金的显微组织设计

在实际应用中,高温钛合金要求材料具有良好的室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配,其中最重要的是热稳定性、高温蠕变性能和疲劳性能匹配,而这些性能对材料的成分和组织的要求是矛盾的。因此IMI834合金为了兼顾蠕变性能和疲劳性能,使用初生α相含量为15%的双态组织,在两相区上限温度进行固溶处理。对于截面尺寸>15mm的坯料,推荐采用油冷;截面尺寸<15mm的坯料,推荐采用空冷,然后在700℃进行时效处理。在合金中加入的0.06%C,也是为了扩大两相区热处理的温度范围,易于固溶热处理时更好地控制初生α相的含量,图1所示为IMI834合金最佳热处理区及其对应的组织形态。

1 IMI834合金最佳热处理区及其对应的组织形态

 

而同样作为高温钛合金,为了获得更高的蠕变性能,Ti1100合金锻件的生产推荐采用β锻造和直接时效的热加工工艺路线,获得片层组织状态。即在相变点以上25~55℃范围内进行锻造,R锻造之后直接进行600/8h的时效处理。这样的工艺减少了一次高温热处理,简化了工艺,降低了生产成本。图2所示为Ti1100合金使用状态的组织形态。

 

高强韧钛合金的组织设计

7中除高温使用时的蠕变、持久和热稳定性外,所有的性能几乎都是高强韧钛合金所要强调的性能。可以看出,其对应的最优组织状态为完全矛盾的两种组织,因此,为协调不同性能之间的关系,高强韧钛合金在细化晶粒的同时,尽可能选择一种介于等轴组织和片层组织“中间”的组织状态。通常采用较为复杂锻造和热处理结合的方式。比如Ti62222合金,为了获得拉伸性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展速率较好的综合性能匹配,采用三重处理制度:第一重,Tβ+28/0.5hFCAC,以2067/min冷却速率冷却到482℃;第二重,Tβ-39/1hACFC;第三重,在538/8h AC。三重处理后的性能为σb=1034MPa,σ0.2=931MPa,δ=6%,Ψ=42%48%KIC=77MPa·m1/2。而针对Ti17合金,双态区锻造后也采用双固溶+时效的热处理工艺,获得一种综合的组织状态。对于新型的高强韧钛合金Ti5553,通过双重时效处理调整时效α相的析出位置和形态,最终获得最优的综合力学性能。

对高强韧钛合金组织设计最典型的例子是近β、准β和锻后水冷技术的提出和综合应用,近β锻造在高强韧钛合金应用的思路是在双态组织的基础上进一步降低和细化初生等轴α相的含量,同时增加次生条状α和时效α,得到一种混合组织,这种组织在不明显降低合金塑性的基础上,通过增加次生条状α、时效α和时效β来提高合金的韧性和抗疲劳裂纹扩展能力。而准β锻造工艺的提出,也是基于网篮组织具有最优异的综合力学性能。虽然在各项性能指标中网篮组织都不是最优秀的,但对所有的性能,网篮组织都是较优或中等的(见表1),因此在要求综合的力学性能指标时,网篮组织是一种最优的组织,为了构造这种组织,提出了准β锻造工艺。同时,锻后水冷技术也主要是针对高强韧钛合金,通过水冷细化片层和条状α,提高合金的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。

 

本文出自《新型合金材料-钛合金》

作者:赵永庆 辛社伟 陈永楠 毛小南

 

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