TB6钛合金是一种近β钛合金,国外牌号为Ti-10V-2Fe-3Al,该材料具有较高比强度、良好的断裂韧性、较高的淬透性、良好的切削性和抗腐蚀性等特点。广泛应用于航空航天领域,例如飞机涡轮盘、飞机起落架和直升机旋翼系统,国内航空领域TB6钛合金主要应用于直升机领域锻件[1]。
TB6钛合金锻件常用固溶时效热处理工艺,固溶温度、淬火冷速和时效温度是影响锻件性能的主要参数,陈威[2]等人研究了单级时效和双级时效工艺的影响;王文婷[3]等人研究了低温时效的影响;刘彬[4]等人研究了TB6钛合金多重固溶时效热处理工艺对锻件的影响。
本文通过采用φ130mm规格TB6钛合金棒材改锻为自由锻件,研究固溶和时效热处理的温度对自由锻件组织和性能的影响,最终获得应用于锻件生产交付的最优热处理工艺,同时掌握热处理工艺和组织性能的对应关系,便于锻件组织性能不合格问题处理。
1、试验材料及方法
1.1试验用料
试验用料为φ130mm规格棒材经锻造后的自由锻件,自由锻件尺寸为200mm×100mm×60mm,对应锻造方向为L×LT×ST。材料化学成分如表1所示。检测材料相变点为806℃。
1.2试验方法
根据锻件规范要求锻件采用两相区热处理,固溶选取Tβ-(30~60℃),水淬。时效选取510~540℃,空冷。锻件规范中要求的热处理时间变化对锻件性能影响较小,因此本试验未选取不同时间对比的工艺试验。本试验中选取不同固溶和时效温度试验方案如表2所示,固溶温度选取770℃、760℃、750℃,时效温度选取540℃、530℃、520℃。
按GJB2744A—2007标准检测锻件,检测项目和取样方案见图1,力学性能试样取自截面中心。室温拉伸选用φ5mm×50mm试样,试验方法按照GB/T228.1—2010要求;断裂韧性试样采用B=25mm,试验方法按照GB/T4161—2007要求;显微组织和低倍试验方法按照GB/T5168—2008要求。
2、结果与分析
2.1固溶和时效温度对力学性能的影响
图2为TB6钛合金自由锻件经过不同固溶和时效温度热处理后的力学性能。在相同的时效温度下,随着固溶温度从770℃下降到750℃,可以看出,图2(a)中抗拉强度呈下降趋势,主要趋势为固溶温度每降10℃,抗拉强度下降约10MPa;图2(b)和图2(c)中断后伸长率和断裂韧性呈上升趋势,固溶760℃较770℃断后伸长率明显上升约2%,断裂韧性明显上升5MPa·m1/2固溶750℃较760℃断后伸长率和断裂韧性略有上升,分别上升约1%和2MPa·m1/2。在相同的固溶温度下,随着时效温度从520℃升高到540℃,可以看出,图2(a)抗拉强度呈下降趋势,时效温度每升高10℃,抗拉强度下降约40~50MPa;图2(b)中断后伸长率略有升高趋势;图2(c)中时效520℃升高至530℃时断裂韧性略有升高,约3~5MPa·m1/2左右,但当时效温度由530℃升高至540℃时断裂韧性明显升高约5~10MPa·m1/2。
2.2固溶和时效温度对高低倍组织的影响
在相同固溶温度情况下,不同时效温度的锻件低倍无不同之处。在相同时效温度下,不同固溶温度的锻件低倍有不同之处。图3为分别在770℃、760℃、750℃固溶后520℃时效的低倍组织,可以看出固溶温度越高晶粒越粗越清晰,遵循温度升高晶粒长大的普遍规律。自由锻件中间变形量大,形成拉长晶粒,低倍评级均满足GJB2744A—2007中4级要求。高倍组织如图4和图5所示,均为两相区组织,由时效β基体和球状或条状初生α相组成,均满足GJB2744A—2007中2类组织,初生α相含量均满足不低于10%。原始β晶粒边界未出现连续的、平直的α相网格,未出现粗大的晶界α相组织。在固溶温度760℃时,不同时效温度520℃、530℃、540℃情况下,高倍组织如图4所示,随着时效温度的降低,初生α相含量略有降低。在时效温度530℃时,不同固溶温度770℃、760℃、750℃情况下,高倍组织如图5所示,固溶温度每降低10℃,初生α相含量增加约5%~10%。
3、结论
(1)固溶温度每降低10℃时,抗拉强度下降约10MPa,断后伸长率升高约1%~2%,断裂韧性升高约2~5MPa,高倍组织中初生α相含量增加约5%~10%,低倍组织中晶粒略有变细。
(2)时效温度每升高10℃时,抗拉强度下降约40~50MPa,断后伸长率略有升高;时效温度520℃升到530℃时断裂韧性升高约3~5MPa·m1/2,时效温度530℃升到540℃时,断裂韧性升高约5~10MPa·m1/2,时效温度对高低倍组织影响较小。
(3)固溶选用750~760℃水冷,时效选用520~530℃空冷,室温拉伸和断裂韧性具有较好的匹配性,低倍晶粒较细,高倍组织中初生α相较多。
参考文献
[1]刘晓丰,田雅馨,邹静,等.直升机关键金属TB6钛合金的划伤、冲击缺陷容限性能[J].科学技术与工程,2019,19(29):349-355.
[2]陈威,孙巧艳,肖林,等.时效工艺对Ti1023合金微观组织和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2011,40(4):708-713.
[3]王文婷,李沛,寇文娟,等.时效温度对Ti1023和Ti5553合金微观组织与析出硬化的影响规律[J].稀有金属材料与工程,2020,49(5):1707-1714.
[4]刘彬,黄旭,黄利军,等.TB6钛合金多重固溶时效热处理工艺研究[J].稀有金属,2009,33(4):489-493.
相关链接