大規(guī)格TC18鈦合金棒材組織與力學(xué)性能的研究

鈦及鈦合金具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)磁性等眾多優(yōu)異性能，導(dǎo)致其在眾多領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用，例如：海洋工程、石油勘探、化學(xué)化工、航天航空等領(lǐng)域[1］。TC18鈦合金為一種十分常見(jiàn)的高強(qiáng)高韌鈦合金，其名義成分是Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，因?yàn)樵摵辖鹁哂辛己玫牧W(xué)性能，所以其在飛機(jī)起落架、飛機(jī)承重梁等大型承力結(jié)構(gòu)件中有十分廣泛的使用[2］。

因?yàn)門(mén)C18鈦合金的廣泛使用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該合金的研究同樣十分廣泛，熊智豪等[3］對(duì)TC18鈦合金棒材進(jìn)行了多火次鍛造加工，對(duì)“高－低－高－低”工藝進(jìn)行分析，得出了該合金在多火次鍛造加工中β相的織構(gòu)演變規(guī)律。朱雪峰等[4］對(duì)TC18鈦合金在單相區(qū)固溶后出現(xiàn)的黑斑進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這是由于未完全再結(jié)晶β晶粒內(nèi)的亞晶以及位錯(cuò)所致。雖然目前對(duì)TC18鈦合金的研究是十分廣泛，但大多數(shù)以鍛造加工為主，相比于鍛造加工，熱處理具有高效、快捷、方便等優(yōu)點(diǎn)，故本文選擇直徑為400mm的大規(guī)格TC18鈦合金棒材，對(duì)其進(jìn)行熱處理，研究熱處理、微觀組織、力學(xué)性能三者之間的關(guān)系，為大規(guī)格TC18鈦合金棒材在實(shí)際工程中的應(yīng)用作出相應(yīng)參考。

1、試驗(yàn)材料與方法

選用直徑為400mm的大規(guī)格TC18鈦合金棒材作為試驗(yàn)材料，棒材經(jīng)三次真空自耗熔煉爐熔煉并經(jīng)多火次鍛造而成，對(duì)試驗(yàn)用棒材進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，測(cè)得棒材具體化學(xué)成分為：51%Al、51%Mo、48%V、0.9%Cr、0.8%Fe、Ti余量。采用金相法對(duì)試驗(yàn)用棒材進(jìn)行相變點(diǎn)檢測(cè)，測(cè)得棒材相轉(zhuǎn)變溫度為880～885℃。隨后將試驗(yàn)用TC18鈦合金棒材進(jìn)行切割加工，從切割完成的試樣中進(jìn)行取樣加工，觀察棒材金相組織，并測(cè)試棒材拉伸性能與沖擊性能，其中金相組織觀察使用型號(hào)為AxiomaTic型光學(xué)顯微鏡，拉伸性能測(cè)試使用InsTron型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，沖擊性能測(cè)試使用DJK-1型試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 原始鍛態(tài)組織

棒材原始鍛態(tài)金相組織如圖1所示，由圖1可得，棒材橫向以及縱向金相組織十分接近，并無(wú)明顯差異，棒材原始鍛態(tài)金相組織由粗大β晶粒組成，存在明顯晶界，在晶界附近有細(xì)小α相存在，在粗大β晶粒內(nèi)部同樣存在較多細(xì)小α相，經(jīng)測(cè)試組織中平均晶粒尺寸為0.4603mm，最大晶粒尺寸為1.255mm。

2.2 熱處理后金相組織

使用箱式電阻爐對(duì)試驗(yàn)用TC18鈦合金棒材進(jìn)行熱處理，具體熱處理制度為835℃/2h爐冷至750℃／2hAC＋620℃/4hAC，其中AC表示室溫冷卻，合金經(jīng)熱處理后的橫向與縱向金相組織如圖2所示，由圖2可知，合金橫向與縱向金相組織相差較小，經(jīng)熱處理后的金相組織主要由晶界α與次生α相構(gòu)成。

原始鍛態(tài)組織中的粗大晶粒在鍛造過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)、拉長(zhǎng)、破碎，隨后在第一階段（835℃／2h爐冷至750℃/2hAC）加熱過(guò)程中，組織內(nèi)會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，鍛造加工時(shí)形成的破碎晶粒會(huì)轉(zhuǎn)變成位錯(cuò)密度較低的小晶粒，釋放變形儲(chǔ)能，在750℃保溫過(guò)程中，在原始晶界位置的小晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大，故組織中出現(xiàn)晶界α。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，組織中可見(jiàn)明顯的β轉(zhuǎn)變組織，合金在經(jīng)歷620℃／4hAC的第二次退火處理后，會(huì)提高組織的穩(wěn)定性，同時(shí)組織中的亞穩(wěn)定β相會(huì)進(jìn)行分解，析出長(zhǎng)條狀的次生α相，與晶界α構(gòu)成β轉(zhuǎn)變組織。

2.3熱處理后力學(xué)性能

合金經(jīng)加熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表1，由表1可知，合金橫向與縱向力學(xué)性能較為接近，無(wú)明顯差異，說(shuō)明TC18鈦合金棒材均勻性良好，無(wú)明顯各向異性。在拉伸性能方面，分別測(cè)試棒材的抗拉強(qiáng)度（Ｒ_ｍ），屈服強(qiáng)度（Ｒ_ｐ0.2），斷后延伸率（Ａ）以及斷面收縮率（Ｚ），可以發(fā)現(xiàn)，合金在具有較高強(qiáng)度同時(shí)，并具有較好的塑性，這是由于合金經(jīng)熱處理后，組織中包含大量的細(xì)小次生α相，導(dǎo)致拉伸過(guò)程中位錯(cuò)的滑移距離減小，大量細(xì)小次生α相會(huì)增加組織中位錯(cuò)線的密度以及均勻性，在晶界處形成的位錯(cuò)塞積減小，這會(huì)推遲在拉伸過(guò)程中空洞的生長(zhǎng)，導(dǎo)致在發(fā)生斷裂前期，拉伸試樣會(huì)產(chǎn)生較大形變，導(dǎo)致合金塑性較高[5］。在沖擊性能方面，測(cè)試棒材的沖擊吸收功（Ｊ）與沖擊韌性（Ｊ／ｃｍ2），可以發(fā)現(xiàn)，棒材橫向與縱向沖擊性能接近，差異較小。通常情況下，影響合金沖擊性能的因素主要有組織內(nèi)部裂紋開(kāi)動(dòng)以及裂紋延伸所需要的能量，故合金組織的抗裂紋開(kāi)動(dòng)以及抗裂紋延伸能力是影響合金沖擊性能的本質(zhì)[6］，TC18鈦合金棒材在測(cè)試沖擊性能時(shí)，會(huì)受到組織中α相的形貌尺寸以及含量的影響，沖擊裂紋通常在α／β相界處或者α／β晶粒的晶界產(chǎn)生。因?yàn)楹辖鸾?jīng)熱處理后，組織中含有大量次生α相，當(dāng)裂紋形成并進(jìn)行擴(kuò)展的過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展的尖端在與次生α相相遇時(shí)，裂紋擴(kuò)展的方向會(huì)產(chǎn)生偏移，順著次生α相的位向方向擴(kuò)展，由于組織中次生α相含量較多且交錯(cuò)排列，會(huì)導(dǎo)致裂紋發(fā)生不連續(xù)擴(kuò)展，增加擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度，導(dǎo)致合金的沖擊吸收功與沖擊韌性較高[8］。

2.4 斷口微觀形貌

棒材拉伸性能與沖擊性能的斷口微觀形貌如圖3所示，在拉伸性能方面，圖3ａ、圖3ｂ分別為橫向與縱向的拉伸斷口微觀形貌，二者的斷口微觀形貌均以等軸狀韌窩為主，韌窩尺寸較大且深度較深，韌窩的形貌會(huì)反應(yīng)合金的塑性性能，當(dāng)韌窩數(shù)量較多且深度較深時(shí)，合金的塑性較高，反之亦然[7］。由圖3ａ、圖3ｂ可知，該棒材具備較好的塑性，且抵抗裂紋擴(kuò)展的能力較差，容易滿足拉伸過(guò)程中裂紋擴(kuò)展所需要的條件，組織內(nèi)部的裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，即可順著晶界處發(fā)生擴(kuò)展，也可進(jìn)行穿晶擴(kuò)展，宏觀體現(xiàn)為棒材塑性較好。在沖擊性能方面，圖3ｃ、圖3ｄ分別為橫向與縱向的沖擊斷口微觀形貌，二者的斷口形貌同樣是以等軸狀韌窩為主，這與拉伸過(guò)程中裂紋擴(kuò)展路徑相近，沖擊斷口微觀形貌的韌窩起到吸收能量的效果，韌窩的深度與尺寸能體現(xiàn)出合金在受到?jīng)_擊應(yīng)力時(shí)的狀態(tài)和組織中裂紋的擴(kuò)展性，同時(shí)體現(xiàn)出合金裂紋擴(kuò)展路徑的曲折程度，當(dāng)韌窩較多且尺寸較大時(shí)，合金的沖擊吸收功與沖擊韌性較高[8］。

3、結(jié)論

1.棒材的原始鍛態(tài)金相組織由粗大β晶粒組成，存在明顯的晶界，在晶界附近有細(xì)小α相存在，在粗大β晶粒內(nèi)部同樣存在細(xì)小α相，經(jīng)熱處理后，組織中出現(xiàn)了由顆粒狀形成的晶界α。

2.經(jīng)熱處理后，棒材的橫向與縱向力學(xué)性能較為接近，無(wú)明顯各向異性。

3.拉伸性能與沖擊性能斷口微觀形貌均以等軸狀韌窩為主，韌窩尺寸較大且深度較深。

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