退火温度对TA1/TC4波纹轧复合板力学性能及微观组织的影响

引言

随着科技不断发展,单一金属材料的性能已经越来越难以满足日益提升的生活和生产需求。将两种及以上不同性质的金属板坯结合制备金属复合板,可兼具金属母材的综合性能[1-3]。TA1工业纯钛质轻、比强度高、韧塑性较好且成本较低[4],将其与高强度的TC4钛合金[5]复合,成品兼具两者优势,在航空航天、航海、化工及氢能领域均有广泛的应用前景。

金属复合板的常见制备方法主要有爆炸复合、扩散焊、喷射沉积和轧制复合。相比其他方法,通过轧制生产复合板具有生产连续化、低成本、环保、界面缺陷少且性能稳定等优势[6-8],但传统的平辊轧制复合法存在异种金属基板结合难、结合强度低和板形质量差等一系列问题[9]。为此,波纹轧+平轧工艺应运而生,首道次波纹轧可传递更大的轧制力至复合板界面处,使界面材料的变形程度增大并形成凹凸起伏的立体结合界面,异材界面结合面积增大,波纹轧界面独特的受力状态促使界面氧化层破裂,裸露的新鲜金属增多,利于异种金属结合。上述优势均显著提升了复合板界面的结合强度并降低了轧制力,且板型的平直度更高。波纹轧过程中,界面部分区域受到更大的轧制力,导致残余应力和加工硬化现象更显著,复合板韧塑性较差。此外,波纹轧界面可分为波峰、波腰和波谷,不同位置受力状态的差异,造成了残余应力和加工硬化状态不同,界面结合强度分布存在差异,亟待通过热处理的方式降低界面残余应力、加工硬化及应力状态差异程度,提升复合板韧塑性,提高界面结合强度并改善微观组织。

王壮[10]采用异温轧制制备了TC4/7075Al复合板,并对其进行轧后退火研究,研究结果表明,当退火温度为450℃、保温时间为3h时,复合板界面结合效果最好,剪切强度达到峰值149.49MPa,且拉伸强度达到830MPa,伸长率达到最大值。郭雷明等[11]对采用铸轧法制备得到的钛铝复合板进行不同工艺的退火处理,分析认为,随着温度的升高以及保温时间的延长,复合材料的剥离强度出现略微下降,且退火后界面发现了金属间化合物,硬脆金属间化合物数量的增加对复合板的结合产生了不利影响。LÜSS等[12]在660℃退火1 h提高了钛铁复合板的力学性能,研究发现,退火后复合材料塑性提升,各向异性降低,界面表现出良好的粘接性能,尽管界面剥离强度显著降低,但并未发生界面分层现象。ZHAOZ等[13]通过热轧复合法制备得到钛/钢复合板,将其在550℃条件下退火3h,结果表明,退火处理不但降低了复合板的位错密度和局部应变,而且促进了脆性化合物的生长,这导致复合板拉伸强度和剪切强度明显降低,但伸长率相对较高。李亚杰等[14]通过“波纹轧+平轧”在300℃下制备得到了Ti/Al复合板,后续在300℃条件下退火30min,研究发现,退火后“波+平”轧复合板的抗拉强度略微降低,但伸长率改善明显,由5.56%提升至9.10%,表明退火后轧制过程中残余应力释放,导致板材伸长率提高而强度略微降低。

陈文欢[15]研究了在500℃条件下退火1h对波纹界面Al/Ti/Al复合板的影响,结果表明,退火后复合材料的屈服强度明显下降,35%压下率下Al/Ti/Al复合板TD和RD方向的伸长率达到55%以上,说明过高的退火温度对复合板的综合性能产生了不利影响。然而目前对于钛/钛复合板轧制及热处理工艺的研究鲜有报道。

制定合适的退火工艺制度可以有效地改善复合板的加工硬化现象、促进基材回复、消除轧制过程中的残余应力并促进原子间相互扩散,对提高复合板的塑性有着显著的影响[16]。为此,本文针对首道次波纹轧,二道次平轧制备的TA1/TC4复合板,着重研究退火温度对复合板性能及组织的影响,分析退火温度对复合板结合界面形貌、拉伸和剪切性能的影响规律,研究不同退火温度对复合板变形失效行为的作用机制,明确适合“波+平”轧TA1/TC4复合板的退火温度。

1、退火温度对复合板的界面微观形貌影响

研究针对900℃,波纹轧44%压下量,平轧20%压下量的TA1/TC4复合板,该条件下复合板基材变形剧烈,加工硬化程度和残余应力均较大,界面结合性能优良,对热处理条件敏感。本文设定退火温度分别为350、400、450、500、550和600℃,退火保温时间为1h,探究退火温度对界面结合情况的影响。首先使用电子扫描显微镜对TA1/TC4复合板在不同退火温度下的结合界面进行表征。选取原始复合板坯和退火温度400、500和600℃,退火时间为1h条件下TA1/TC4复合板结合界面的SEM图像进行对比分析,如图1所示,各退火条件下TA1/TC4复合板界面不同位置包括波峰、波腰及波谷处的界面均结合良好,没有出现明显的结合缺陷,较原始未处理复合板坯没有明显变化,说明对TA1/TC4复合板进行去应力退火后并未使得界面出现孔洞等缺陷。

进一步对结合界面进行EDS线扫描,如图2所示。由图可知,较退火处理前,退火后复合板界面扩散层均明显增厚,温度为400℃时,波峰、波腰和波谷位置的扩散层厚度由2.4、2.3和2.6μm分别增大至2.8、3.0和3.4μm,且随着退火温度的提高,扩散层厚度呈现递增的趋势,当退火温度为600℃时,复合板波峰、波腰和波谷位置的扩散层厚度已提高至3.1、3.2和4.0μm,说明退火温度对复合板的扩散层厚度影响较为显著,不同温度对应线扫曲线均呈“X”形,扩散层没有明显的平层,表明界面并未生成大量的金属间化合物。此外,随着温度的升高,复合板界面处元素扩散能力逐渐增强,复合板波谷位置元素扩散随温度的变化更明显,该位置扩散层厚度的增加也更加显著。结合面线扫结果可在一定程度上反映出界面的物相特征,对确定合理的退火温度具有较高的参考意义。

2、退火温度对复合板力学性能及断口形貌的影响

2.1　力学性能

图3为不同退火温度下复合板单轴拉伸应力应变曲线图,图中示出,当退火温度为350℃时,复合板的屈服强度为865.8MPa,伸长率为7.8%;当退火温度为400℃时,屈服强度为859.3MPa,伸长率为7.7%;当退火温度为450℃时,屈服强度降低至823.3MPa,伸长率提升至8.2%。分析认为,较低温度退火时,复合板的屈服强度以及伸长率变化较小,且两侧基体塑性协调性较好,未发生明显的分层断裂现象(图4)。当退火温度继续升高至500℃,复合板的屈服强度降低至802.3MPa,伸长率明显提升至10.5%左右,复合板界面出现轻微的分层断裂现象(图4)。当退火温度提升至550℃时,复合板的屈服强度进一步下降至778.2MPa,伸长率提升至12.3%。当退火温度提升至600℃时,屈服强度显著降低至703.1MPa,结合图3a中600℃对应的应力-应变曲线可知,TC4侧基体伸长率为11.9%左右,TA1侧基体伸长率为13.9%左右,两侧基体塑性协调性变差,从图4中可以看到明显的分层现象。

结果表明,随着退火温度的升高,TA1/TC4复合板屈服强度呈下降趋势,而伸长率则呈上升趋势,塑性变形能力得到提升。在450℃较低温度下,TA1/TC4复合板的屈服强度和伸长率变化不大,出现这种情况的主要原因是复合板在轧制过程中的加工硬化现象严重,低温退火不能有效地去除复合板内部的残余应力[17],回复程度较低。直至温度提升至500℃时,复合板的伸长率得到明显提升,继续提升温度,可有效改善复合板的加工硬化现象,回复程度较高,导致复合板软化。但超过500℃后,过高的退火温度导致两侧金属基体的回复程度相差较大,不利于复合板变形协调。

2.2　拉伸断口形貌

图4为复合板在不同退火温度下TA1/TC4复合板的拉伸断口形貌。由图可知,原始板坯和退火温度为400℃时,结合界面均无宏观裂口,说明复合板仍保持着良好的结合现象。但当温度升高至500℃时,界面出现裂口,继续升温至600℃,裂口加深,两侧金属变形协调性变差,与图3a所示拉伸曲线结果吻合。且可以明显观察到,随着退火温度的升高,TA1纯钛侧及TC4钛合金侧的颈缩现象越来越明显,且两侧拉伸断口表面随着温度的提升均出现了纤维状特征,说明基体塑性能力得到明显提升。当退火温度为500℃时,此时TC4侧韧窝的尺寸和深度相对变大,数量变少,且TA1侧开始出现一些细小韧窝特征,解理特征仍存在但相对变少,说明在该退火温度条件下,TA1侧加工硬化现象得到改善,该侧发生静态回复,复合板塑性得到改善。

当温度提升至600℃时,TC4和TA1侧韧窝尺寸和深度均明显变大,塑性改善明显。随着退火温度提高至500~600℃,可以发现TA1侧有明显的颈缩现象且两侧韧窝形状大小有较大的差别,且复合板整体塑性能力受TA1侧基体塑性的变化影响较大。

分析两侧基体韧窝变化,可以发现,原始轧制态板坯TC4侧断口基本被等轴韧窝覆盖,TA1侧存在脊状和解理台阶,由于原始板坯是在900℃,44%压下量的条件下制备,TA1侧发生了剧烈的塑性变形,导致其加工硬化严重,断口的韧性断裂特征不明显。当退火温度为400℃时,TC4侧仍呈现出大量等轴韧窝,TA1侧则呈现明显的河流花样、舌状花样以及解理台阶等解理断裂特征,两侧断口特征均与轧制态相近,与前述分析一致,复合板的塑性能力没有明显的提升。这也是TA1/TC4复合板的拉伸应力-应变曲线在此退火温度区间内伸长率没有明显提升的原因。

3、退火温度对复合板剪切性能及断口形貌的影响

3.1　剪切性能

将不同退火温度的TA1/TC4复合板进行拉剪实验,图5为不同退火工艺下TA1/TC4复合板的界面剪切强度柱状图。由图可知,随着退火温度的增加,TA1/TC4复合板界面剪切强度随之下降。当退火温度为350℃时,复合板界面剪切强度为413.28MPa,相比轧制态复合板界面结合强度457.65MPa下降明显;当退火温度从400℃增加到600℃时,复合板界面剪切强度从391.14MPa逐渐下降至301.27MPa。

结果表明,退火温度对于TA1/TC4复合板的界面结合强度影响较大,随着退火温度的升高,复合板界面剪切强度下降明显,造成该现象的原因主要是基材抗剪强度会随着退火温度的升高而降低,但界面扩散层厚度则会增大,均会导致复合板抗剪强度降低。

3.2　剪切断口形貌

为了进一步研究TA1/TC4复合板的抗剪性能与退火温度的关系,将TA1/TC4复合板剪切试样断口进行表征和元素扫描分析。TA1和TC4两种材料元素组分差别较小,但TC4钛合金中的Al和V元素是TA1纯钛中没有的,因此,选取Ti、Al和V这3种元素对剪切断面两侧进行EDS面扫描,其中Al和V元素的分布特征可以区分断口形成的位置。表1为不同退火温度对应复合板剪切断口的元素面扫描结果,可以发现,两侧断口Al和V元素比例仍接近0%,说明剪切试样断口断裂位置仍在TA1基体侧,即在不同退火工艺条件下,TA1基体的剪切强度仍决定了TA1/TC4复合板的界面剪切强度。

如图6所示,TC4侧剪切断面主要为平切断口,仅在局部出现剪切韧窝,TA1侧断面则整体均为平切断口,滑移流变形式明显。当退火温度为400℃时,根据断面扫结果得知,剪切断裂位置仍在TA1基体处,观察分析两侧断口,发现两侧微孔聚集性韧窝数量明显增加,滑移平坦区域范围变化较小,说明复合板塑性提升,但界面结合强度降低,剪切断裂模式开始由脆性断裂向韧性断裂转变。如图6c和6g所示,当退火温度为500℃时,复合板断口两侧分布有大量的剪切韧窝,但还存在着滑移平坦区域,断裂模式更接近韧性断裂;当退火温度进一步提高至600℃时,两侧断口剪切韧窝变大,整体呈波浪状,且界面有明显的撕裂特征,根据断口元素线扫描结果可知,断口断裂位置仍处于TA1基体侧,这说明TA1/TC4复合板界面剪切强度仍表现为TA1基体的剪切性能。结果表明,随着退火温度的升高,TA1/TC4复合板剪切断口逐渐转变为塑性断裂,断口塑性提升明显,且无论在轧制态还是退火态条件下,断裂位置均在TA1基体上,断口的TC4侧被TA1基体完全覆盖,但TC4侧少量元素扩散至TA1基体内,故两侧断口元素面扫描结果显示Al和V元素含量极低。这说明TA1/TC4复合板界面剪切强度远高于TA1基体的剪切强度,与拉伸测试结果一致,TA1基体的性能决定了复合板的抗剪性能。

综合上述结论,当热处理温度为500℃时,复合板的伸长率较轧制态有明显提升,且保持了较高的屈服强度802.3MPa和剪切强度366.54MPa,该状态下拉伸断口没有出现明显的分层断裂现象,剪切破坏位置位于TA1基体侧,均表明该热处理温度在保证复合板强度的同时,显著提升了复合板的韧塑性。因此,TA1/TC4复合板在500℃,1h的退火条件下可以获得良好的综合性能。

4、结论

(1)在较低退火温度(350~450℃)条件下,复合板基材的静态回复程度较低,复合板内部的加工硬化现象仍较明显,导致复合板韧塑性能力提升不明显,当退火温度提升至500~600℃,复合板伸长率从原始板坯的7.2%提升至13.9%,塑性明显改善。但退火温度高于500℃时会导致复合板的屈服强度和剪切强度迅速下降,600℃条件下仅分别为703.1和301.27MPa,分别是原始板坯的81.3%和65.83%。

(2)TA1/TC4复合板界面处元素扩散能力随着温度升高逐渐增强,波谷位置尤为明显,扩散层宽度从原始板坯的2.6μm提升至4.0μm,扩散层厚度将影响复合板的界面剪切强度。复合板拉伸断口TC4在不同退火温度下均呈现韧性断裂特征,TA1侧在500℃及以上温度处理时才逐渐呈现韧性断裂特征,剪切断口两侧材料的剪切韧窝也随着退火温度的升高而逐渐增多,剪切断口均出现在TA1基体侧,因此,TA1侧的力学性能决定了复合板的综合性能。

(3)“波+平”二道次轧制后制备得到的TA1/TC4复合板较合适的退火工艺制度为退火温度500℃,退火时间为1h。该条件下复合板的屈服强度为802.3MPa,剪切强度为366.54MPa,伸长率接近10.5%,在保证复合板强度的同时使其塑性变形能力显著提升。

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