大规格TC18钛合金棒材组织与力学性能的研究

发布时间：2023-04-18 16:32:03 浏览次数：

钛及钛合金具有强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁性等众多优异性能，导致其在众多领域都有十分广泛的应用，例如：海洋工程、石油勘探、化学化工、航天航空等领域[1］。TC18钛合金为一种十分常见的高强高韧钛合金，其名义成分是Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，因为该合金具有良好的力学性能，所以其在飞机起落架、飞机承重梁等大型承力结构件中有十分广泛的使用[2］。

钛合金棒

因为TC18钛合金的广泛使用，国内外学者对该合金的研究同样十分广泛，熊智豪等[3］对TC18钛合金棒材进行了多火次锻造加工，对“高－低－高－低”工艺进行分析，得出了该合金在多火次锻造加工中β相的织构演变规律。朱雪峰等[4］对TC18钛合金在单相区固溶后出现的黑斑进行分析，发现这是由于未完全再结晶β晶粒内的亚晶以及位错所致。虽然目前对TC18钛合金的研究是十分广泛，但大多数以锻造加工为主，相比于锻造加工，热处理具有高效、快捷、方便等优点，故本文选择直径为400mm的大规格TC18钛合金棒材，对其进行热处理，研究热处理、微观组织、力学性能三者之间的关系，为大规格TC18钛合金棒材在实际工程中的应用作出相应参考。

1、试验材料与方法

选用直径为400mm的大规格TC18钛合金棒材作为试验材料，棒材经三次真空自耗熔炼炉熔炼并经多火次锻造而成，对试验用棒材进行化学成分测试，测得棒材具体化学成分为：51%Al、51%Mo、48%V、0.9%Cr、0.8%Fe、Ti余量。采用金相法对试验用棒材进行相变点检测，测得棒材相转变温度为880～885℃。随后将试验用TC18钛合金棒材进行切割加工，从切割完成的试样中进行取样加工，观察棒材金相组织，并测试棒材拉伸性能与冲击性能，其中金相组织观察使用型号为AxiomaTic型光学显微镜，拉伸性能测试使用InsTron型电子万能试验机，冲击性能测试使用DJK-1型试验机测试。

2、试验结果与讨论

2.1 原始锻态组织

棒材原始锻态金相组织如图1所示，由图1可得，棒材横向以及纵向金相组织十分接近，并无明显差异，棒材原始锻态金相组织由粗大β晶粒组成，存在明显晶界，在晶界附近有细小α相存在，在粗大β晶粒内部同样存在较多细小α相，经测试组织中平均晶粒尺寸为0.4603mm，最大晶粒尺寸为1.255mm。

2.2 热处理后金相组织

使用箱式电阻炉对试验用TC18钛合金棒材进行热处理，具体热处理制度为835℃/2h炉冷至750℃／2hAC＋620℃/4hAC，其中AC表示室温冷却，合金经热处理后的横向与纵向金相组织如图2所示，由图2可知，合金横向与纵向金相组织相差较小，经热处理后的金相组织主要由晶界α与次生α相构成。

原始锻态组织中的粗大晶粒在锻造过程中发生扭转、拉长、破碎，随后在第一阶段（835℃／2h炉冷至750℃/2hAC）加热过程中，组织内会发生再结晶，锻造加工时形成的破碎晶粒会转变成位错密度较低的小晶粒，释放变形储能，在750℃保温过程中，在原始晶界位置的小晶粒会逐渐长大，故组织中出现晶界α。同时可以发现，组织中可见明显的β转变组织，合金在经历620℃／4hAC的第二次退火处理后，会提高组织的稳定性，同时组织中的亚稳定β相会进行分解，析出长条状的次生α相，与晶界α构成β转变组织。

2.3热处理后力学性能

合金经加热处理后的力学性能见表1，由表1可知，合金横向与纵向力学性能较为接近，无明显差异，说明TC18钛合金棒材均匀性良好，无明显各向异性。在拉伸性能方面，分别测试棒材的抗拉强度（Ｒ_ｍ），屈服强度（Ｒ_ｐ0.2），断后延伸率（Ａ）以及断面收缩率（Ｚ），可以发现，合金在具有较高强度同时，并具有较好的塑性，这是由于合金经热处理后，组织中包含大量的细小次生α相，导致拉伸过程中位错的滑移距离减小，大量细小次生α相会增加组织中位错线的密度以及均匀性，在晶界处形成的位错塞积减小，这会推迟在拉伸过程中空洞的生长，导致在发生断裂前期，拉伸试样会产生较大形变，导致合金塑性较高[5］。在冲击性能方面，测试棒材的冲击吸收功（Ｊ）与冲击韧性（Ｊ／ｃｍ2），可以发现，棒材横向与纵向冲击性能接近，差异较小。通常情况下，影响合金冲击性能的因素主要有组织内部裂纹开动以及裂纹延伸所需要的能量，故合金组织的抗裂纹开动以及抗裂纹延伸能力是影响合金冲击性能的本质[6］，TC18钛合金棒材在测试冲击性能时，会受到组织中α相的形貌尺寸以及含量的影响，冲击裂纹通常在α／β相界处或者α／β晶粒的晶界产生。因为合金经热处理后，组织中含有大量次生α相，当裂纹形成并进行扩展的过程中，裂纹扩展的尖端在与次生α相相遇时，裂纹扩展的方向会产生偏移，顺着次生α相的位向方向扩展，由于组织中次生α相含量较多且交错排列，会导致裂纹发生不连续扩展，增加扩展路径长度，导致合金的冲击吸收功与冲击韧性较高[8］。

2.4 断口微观形貌

棒材拉伸性能与冲击性能的断口微观形貌如图3所示，在拉伸性能方面，图3ａ、图3ｂ分别为横向与纵向的拉伸断口微观形貌，二者的断口微观形貌均以等轴状韧窝为主，韧窝尺寸较大且深度较深，韧窝的形貌会反应合金的塑性性能，当韧窝数量较多且深度较深时，合金的塑性较高，反之亦然[7］。由图3ａ、图3ｂ可知，该棒材具备较好的塑性，且抵抗裂纹扩展的能力较差，容易满足拉伸过程中裂纹扩展所需要的条件，组织内部的裂纹在扩展过程中，即可顺着晶界处发生扩展，也可进行穿晶扩展，宏观体现为棒材塑性较好。在冲击性能方面，图3ｃ、图3ｄ分别为横向与纵向的冲击断口微观形貌，二者的断口形貌同样是以等轴状韧窝为主，这与拉伸过程中裂纹扩展路径相近，冲击断口微观形貌的韧窝起到吸收能量的效果，韧窝的深度与尺寸能体现出合金在受到冲击应力时的状态和组织中裂纹的扩展性，同时体现出合金裂纹扩展路径的曲折程度，当韧窝较多且尺寸较大时，合金的冲击吸收功与冲击韧性较高[8］。