TC4钛合金(名义成分为Ti-6Al-4V)是一种典型的α+β型两相合金,其具有优异的耐腐蚀性、强韧性以及高温力学性能等众多优异特性,在航空发动机、海洋工程、化学工程等领域均得到了广泛的应用,该合金也被称为万能钛合金[1-2]。
TC4钛合金的生产工艺主要有熔炼、锻造、轧制等,目前TC4钛合金轧制板材的应用十分广泛[3-4]。韩盈等[5]研究了轧制工艺对TC4钛合金板材织构演变及组织和性能的影响,研究表明:顺向轧制和换向轧制2种轧制工艺均会起到细化晶粒的作用,其中,板材经顺向轧制后,微观组织中存在带状组织,α晶粒被拉长;板材经换向轧制后,组织中晶粒破碎得更加均匀,经退火处理后,形成大量等轴α晶粒;将2种轧制工艺进行对比,板材经换向轧制后,其塑性较高,但强度较低。王伟等[6]研究了轧制火次对EB熔炼TC4钛合金显微组织、织构和力学性能的影响,研究表明:轧制火次的增加使得铸态组织中的原始粗大晶粒破碎,组织中的晶粒出现等轴化,并有细小的等轴α相形成,其小角度晶界增大,合金经三火轧制后的小角度晶界增加了35.1%。
本文对不同轧制规格的TC4钛合金板材进行分析和研究,探索出不同轧制厚度的TC4钛合金板材组织与力学性能的对应关系,为实际生产提供参考。
1、试验材料与方法
本试验所选用的TC4钛合金板坯的规格为250mm×1000mm×2000mm,通过隧道式天然气加热炉和辊底式电阻炉升温加热保温处理后,在温度为850~1020℃下,经Ф900/Ф840mm×2450mm四辊可逆式热轧机四火次轧制,第1火次轧制为开坯轧制,第1~3火次的轧制厚度分别为50.0、6.0和3.5mm,第4火次轧制为成品轧制,通过包覆叠轧技术将厚度为3.5mm的半成品TC4钛合金板材经3~9道次轧制为厚度为2.0、1.5、1.0和0.8mm这4种规格的TC4钛合金板材,再对其进行780℃×2h退火处理,其具体成分见表1。TC4钛合金板坯的原始金相组织如图1所示,其纵向与横向组织均为等轴组织,此组织以粗大初生α相(αp)为主,同时基体上存在细条状的次生α相与由次生α相之间的残余β相构成的β转变组织(βT)。
TC4钛合金板材相变点测试执行GB/T23605—2009[7]标准要求,使用金相法测得TC4钛合金板材的相变点为995~1000℃。再将4种规格的TC4钛合金板材进行切割加工,进行金相组织与室温拉伸等性能测试。图2为轧制TC4钛合金板材的方向标记:轧制方向(RD向)和横向(TD向),其中,图2a为金相组织的取样位置,图2b为拉伸试样取样位置以及拉伸断口观察位置。使用OLYMPUS光学显微镜观察TC4钛合金板材金相组织,TC4钛合金板材的室温以及高温拉伸测试使用INSTRON.5580万能试验机,使用Imagepro5测量组织中晶粒的直径,使用Quanta型扫描电镜观察拉伸断口的微观形貌,每次测试取3组试样,最后取平均值。
2、结果与讨论
2.1金相组织
图3为不同规格TC4钛合金板材的金相组织。
由图3可得,经轧制及退火后的TC4钛合金板材组织为α相与残余β相组成的混合组织,不同厚度的TC4钛合金板材的α相的形貌不同,呈现出线条状、等轴状以及细小团状,残余β相存在于各α相之间。与原始TC4钛合金板材相比,经轧制退火后,TC4钛合金的晶粒细化明显,且存在明显的轧制迹象,这是由于TC4钛合金板材的组织没有产生完全动态再结晶所致。在厚度为0.8、1.0和1.5mm的TC4钛合金板材的RD向组织中有大小晶粒交替在一起的带状组织,其中,厚度为1.0mm的TC4钛合金板材中带状组织最为明显,这是因为:在轧制过程中,TC4钛合金板材的柱面和基面在进行滑移时,晶粒的排列取向不发生改变,仅会绕着c轴(c轴为由横向(TD)倾向法向(ND)且靠近法向(ND),产生较强的基面织构)进行转动,但锥面滑移与之不同,其会导致晶粒产生倾斜现象,而倾斜会使组织中的晶粒产生再结晶或旋转。而厚度为20mm的TC4钛合金板材中带状组织并不明显,其α晶粒被明显拉长,呈长条状且不均匀地分布在组织中。4种规格的TC4钛合金板材TD向组织中均以细小的等轴α晶粒为主,金相组织中并未发现明显的带状结构组织。
TC4钛合金板材的RD与TD向组织中均存在大量的细小α晶粒,说明TC4钛合金板材的受力状态在轧制过程中发生了改变,原始TC4钛合金板坯中的晶粒并非沿着某固定方向进行扭转,导致形变区域的储存能以及位错密度增加,为组织中晶粒的形核提供了大量驱动能,导致TC4钛合金板材在退火过程中容易产生再结晶,使得组织中产生的大量的细小等轴α晶粒[8]。这与王牛俊等[9]对不同加工条件下TC4钛合金板材组织的研究结果一致,即轧制工艺对组织中的晶粒有细化作用。
2.2拉伸性能
图4为不同厚度TC4钛合金板材的力学性能,图5为不同厚度TC4钛合金板材拉伸过程中的工程应力-工程应变曲线。由图4和图5可知,随着厚度的增加,TC4钛合金板材强度总体呈现出先降低再趋于稳定的趋势,而塑性呈现出先升高再趋于稳定的趋势。不同规格TC4钛合金板材的强度较低而塑性较高,这是因为:退火会使板材在轧制过程中产生加工硬化以及位错密度降低的现象,从而使轧制应力得到充分释放。当厚度为0.8mm时,TC4钛合金板材的强度最大,最大抗拉强度Rm为1075MPa、最大屈服强度ReL为1027MPa,而塑性方面,不同规格TC4钛合金板材的伸长率A大致相同,最大值为17.5%。
TC4钛合金板材在室温拉伸过程中,当拉应力沿界面扩展遇阻碍时,微裂纹扩展过程中形成的位错会在α/β相界面上造成塞积,在位错塞积力和裂纹尖端作用力的共同作用下,α/β相的片层内会有微孔洞形成,此时微裂纹扩展以微小孔聚合的方式进行,最终导致断裂[10]。而厚度为08mm的TC4钛合金板材的强度较大,这是由于TC4钛合金板材轧制过程中的变形量较大,内部点阵畸变较大,形成的储存能更多,从而会有较多的再结晶形核位置,晶粒更加细小,在拉伸过程中细小晶粒对位错运动的阻碍作用更强,位错在细小晶粒区域被阻塞并形成位错塞积群,必须施加更大的外力才可使位错再次开动,导致TC4钛合金板材的强度较高[11]。
由图4可知,4种规格TC4钛合金板材经轧制退火后沿RD与TD方向的强度与塑性均有一定差值,其中0.8mm的TC4钛合金板材最为明显,其抗拉强度Rm的最大差值为33MPa,屈服强度ReL的最大差值为32MPa,而伸长率A几乎相同,最大值差值为3%,说明4种规格TC4钛合金板材具有一定程度的各向异性。
4种规格的TC4钛合金板材沿RD方向的抗拉强度较高,同时还具有良好的塑性,主要是因为:
轧制导致晶粒细化,细小的晶粒会提高晶界总面积,而晶界强度在室温条件下大于晶内强度,并能够阻碍位错进行滑移,进而提高抗拉强度,在TC4钛合金板材断裂时会使裂纹扩展方向发生偏转,增加裂纹扩展路径,使其伸长率升高。同时,TC4钛合金板材沿RD方向的屈服强度低于TD方向,这是由于在进行拉伸时,TC4钛合金板材RD方向的拉应力与{0001}晶面形成较小的夹角,组织中滑移系容易开动,导致TC4钛合金板材的屈服强度下降,随后在断裂过程中会产生加工硬化和位错交集现象,致使TC4钛合金板材具有较低屈服强度的同时具有较高的抗拉强度。在拉伸方向为TD向时,拉应力与{0001}晶面之间的夹角较大,滑移系难以开动,需较大外力来开动滑移系,导致TC4钛合金板材的屈服强度增加,在发生屈服后,组织中更容易产生应力集中现象,导致TC4钛合金板材的抗拉强度降低[12-13]。
2.3断口形貌
图6为不同规格TC4钛合金板材拉伸后的微观断口形貌,其微观断口形貌大致相同,均以韧窝为主,形貌均为等轴韧窝(位置A′),较大的韧窝中有少量小韧窝分布其中,具有明显的韧性断裂特征,宏观表现为具有较大的伸长率。韧窝的形成是由于合金内部组织以等轴α相作为微孔形成的核心源,随后经过微孔形核、长大以及聚合等方式使合金组
织有微裂纹产生并扩散、断裂,在微孔聚合长大过程中韧窝逐渐长大[14]。合金的塑性通常由韧窝的深浅和大小决定,当韧窝深且大时,合金具有良好的塑性,当韧窝浅且小时,合金的塑性较差。
当TC4钛合金板材厚度为0.8mm时,其RD方向(图6a)和TD方向(图6b)除具有大量韧窝外,还有一定数量的小平面(位置B),具有圆润且光滑的底部,并有微小的空洞存在,以及较锐利的棱边,同时韧窝内部还有大量特别细小的微裂纹(位置C和位置D),说明施加拉应力后,裂纹在组织中扩展时的尖端应力较大,导致裂纹在向前扩展时,也向垂直于主裂纹扩展的方向延伸,形成二次裂纹,从而增加了裂纹扩展的曲折性,导致合金的强度增加、塑性降低。同时,在图6a所示断口形貌中还有一定数量的撕裂棱(位置E),撕裂棱的出现表明强度增大而塑性降低,此与TC4钛合金板材的宏观拉伸性能一致。当TC4钛合金板材厚度为1.0mm时,TD方向(图6d)的断口形貌中有空洞存在(位置F),这是因为:组织中晶粒十分均匀细小,试样在拉伸过程中,组织内的裂纹扩展时会遇到大量细小α晶粒,产生应力集中现象,裂纹若继续扩展,扩展方向会发生偏转,其沿着α/β晶界交界处进行,在此位置形成空洞,导致塑性下降。当TC4钛合金板材厚度为1.5和2.0mm时,其RD方向和TD方向的断口形貌基本相同,无明显差异,说明TC4钛合金板材的力学性能接近,差异性较小。
由图6可得,在RD方向,当TC4钛合金板材厚度较厚时(1.5和2.0mm),断口微观形貌由大量韧窝组成,当厚度较薄时(0.8mm),由于变形量的增加,断口微观形貌中出现撕裂棱以及微裂纹,这意味着TC4钛合金板材的强度增加、塑性降低。
TD方向的变化趋于与RD方向类似,均为随着TC4钛合金板材厚度的变薄,断口由单一的韧窝形貌向韧窝与其他形貌并存的方向发展,区别之处为当TC4钛合金板材厚度较薄时,RD方向的断口形貌以韧窝、微裂纹和撕裂棱为主,而TD方向的断口形貌以韧窝、微裂纹和空洞为主。
3、结论
(1)经轧制及退火后的TC4钛合金板材组织为α相与残余β相组成的混合组织,α相形貌呈现出线条状、等轴状以及细小团状等,与原始板材相比,经轧制退火后,TC4钛合金板材晶粒细化明显,且存在明显的轧制迹象。
(2)TC4钛合金板材强度总体呈现出随着厚度的增加先降低再趋于稳定的趋势,而塑性呈现出先升高再趋于稳定的趋势。当厚度为0.8mm时,TC4钛合金板材的强度最大,最大的抗拉强度Rm为1075MPa、最大的屈服强度ReL为1027MPa。而塑性方面,不同规格TC4钛合金板材的伸长率A大致相同,最大值为17.5%。4种规格TC4钛合金板材经轧制退火后沿RD与TD方向的强度与塑性均有一定差值,说明此4种规格TC4钛合金板材具有一定程度的各向异性。
(3)不同规格TC4钛合金板材拉伸后的断口形貌均以韧窝为主,具有明显的韧性断裂特征,其中厚度为0.8mm的TC4钛合金板材沿TD方向的断口形貌中除具有韧窝形貌外,还具有一定数量的小平面,韧窝内部还存在有大量特别细小的微裂纹。
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