TC16( Ti-3Al-5Mo-4.5V)合金屬于馬氏體型( α +β)兩相鈦合金,因合金比強度、塑性高,抗疲勞﹑焊接和淬透性良好等優(yōu)異特性,廣泛應用于航空、航天、化工、冶金﹑船舶、國防、醫療、油田和汽車(chē)等領(lǐng)域,是制造緊固件理想的材料之一。隨著(zhù)各國航空工業(yè)飛速發(fā)展,鈦合金緊固件應用比較普遍,具有良好的減重效果,且是鈦合金、碳纖維復合材料等結構件必須的連接件[2]。當前飛機構件多采用機械連接[4],這對緊固件用鈦合金材料的各項性能提出了更高要求。俄羅斯長(cháng)期使用TC16合金作為制造緊固件的材料,但對生產(chǎn)過(guò)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的試驗與分析[5]。國內對TC16合金做了一些探索研究,如吳崇周等[6·]系統分析了退火制度、固溶時(shí)效,冷變形強化等因素對TC16合金組織和性能的影響;張志強等[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)性能的影響規律。

試驗材料與方法

試驗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(jiàn)表1 ,坯料鑄錠經(jīng)開(kāi)坯、鍛造、精鍛、軋制成b12 mm的棒材,通過(guò)金相法測定的TC16合金相變點(diǎn)為T(mén)。=850 ℃。

TC16鈦合金相變點(diǎn)為T(mén)。=850℃,固溶處理選擇在700 ~900 ℃范圍內進(jìn)行,固溶時(shí)間選擇為30 min。本次試驗對b12 mm的小棒材分別在780、800、850、900 ℃下進(jìn)行固溶處理,保溫時(shí)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(shí)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,所用試驗設備為AxioVert.A1研究級倒置數字材料顯微鏡和Instron1 185力學(xué)試驗機。

熱處理對棒材力學(xué)性能的影響

如圖3所示,隨著(zhù)固溶溫度的升高,合金抗拉強度和屈服強度先降后升,在850℃出現低谷分別僅為827、777 MPa ,伸長(cháng)先升后降,總體來(lái)看,固溶溫度對該合金塑性影響不大。隨著(zhù)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(shí)不產(chǎn)生強化作用,屈服強度首先大幅降低,因為亞穩定β相和α"馬氏體相在應力作用下容易發(fā)生分解,拉伸試驗時(shí)亞穩定的β相析出α"相,α"相等溫加熱會(huì )發(fā)生分解,可使合金在較低應力下發(fā)生塑性變形,促使其屈服強度急劇下降,同時(shí)分解出的被β相穩定元素所飽和的α"相在均熱條件下又會(huì )析出較穩定的β相,這使其抗拉強度和屈服強度又有所升高。

在相同固溶時(shí)效處理制度下,隨著(zhù)時(shí)效時(shí)間延長(cháng)，TC16鈦合金強度也隨之提高,原因是時(shí)效時(shí)細小彌散物大量析出,時(shí)效時(shí)間越長(cháng),彌散物顆粒越多,從而提高固溶體強度。另外,隨著(zhù)時(shí)效時(shí)間的延長(cháng)及溫度的提高,會(huì )出現析出彌散物顆粒聚集的現象,從而使時(shí)效強化作用減弱,這會(huì )導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,且具有穩定、良好的綜合性能,因此在制定固溶加時(shí)效工藝參數時(shí)可把780℃左右固溶作為參數[9],以深挖TC16鈦合金的材料性能。

表2為T(mén)C16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(shí),合金中的β和α"相能穩定存在,隨固溶溫度提高,合金的抗拉強度變化不大,而屈服強度則先降后升,伸長(cháng)率和面縮先升后降;空冷時(shí),亞穩態(tài)β相部分分解形成強化合金的彌散析出物,合金抗拉強度和屈服強度在800 ℃出現低谷,而塑性參數則相反;爐冷時(shí),合金拉伸性能參數穩定,抗拉強度和屈服強度變化不大,伸長(cháng)率超過(guò)800 ℃時(shí)其值恒定,面縮率隨著(zhù)溫度的升高緩慢下降。

結論

1 ) TC16鈦合金800 ℃進(jìn)行固溶處理,初始組織為初生α相和亞穩態(tài)β相,隨著(zhù)固溶溫度的升高,合金晶粒有所長(cháng)大,且亞穩態(tài)β相會(huì )發(fā)生α"馬氏體轉變,o"馬氏體相略有長(cháng)大,會(huì )使晶粒均勻,當溫度達到900 ℃后,會(huì )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(shí)效處理制度下,隨著(zhù)時(shí)效時(shí)間延長(cháng),細小彌散物大量析出,時(shí)效時(shí)間越長(cháng),彌散物顆粒越多,且隨著(zhù)時(shí)效時(shí)間的延長(cháng)及溫度的提高,析出的彌散物顆粒發(fā)生聚集,從而使時(shí)效強化作用減弱,這些因素會(huì )導致鈦合金棒材強度和塑性略有提高。

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,且具有穩定、良好的綜合性能,固溶加時(shí)效工藝參數時(shí)可把780℃左右固溶作為選參數。