机械加工对钛合金性能影响研究

发布时间：2024-09-28 10:05:13 浏览次数：

引言

钛合金具有密度小、耐腐蚀、高比强度等特点，在海洋船舶、航空航天、石化、医药和汽车等工业领域应用较广［1-2］。其中β钛合金因其热处理强化效果较好需求较大。国内相关学者对β钛合金的成分、热处理、微观组织、性能进行了深入的研究，取得了一系列成果［3-7］。而关于机械加工对β钛合金性能影响研究不多。

钛合金棒

基于以上现状，本文对采用锻压机械加工方式后的β钛合金性能开展研究，揭示锻压机械加工对β钛合金性能的影响，为β钛合金的应用提供理论支撑。

1、试件制备与试验方法

试验采用β钛合金成分为Ti-3Al-8V-4Mo－4Cr-4Zr-2Fe-2Nb，通过真空自耗电弧熔炼获得铸锭。对铸锭进行锻压，在水压机上进行，锻压温度为初始温度1100℃，最后温度860℃，每次保温60min，五火次锻压成Φ30mm的棒材，保证锻造过程中保持成分均匀性。测试β钛合金熔炼后化学成分(质量分数)如表1。

从锻压的β钛合金棒材上用线切割切取圆柱型标准试样，标距为25mm，直径为5mm，尺寸如图1所示，按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行静载拉伸试验。拉伸试验温度为室温，在Instron5885电子万能材料试验机上进行，加载速度为1mm/min。使用HVS-50维氏硬度计测量维氏硬度，外加载荷值250g，载荷保持时间10s，取6个测试点取硬度平均值。

硬度计算公式如式1所示:

式中:P为外加载荷值(N)，d为压痕对角线平均值(mm)。

采用OLYMPUS金相显微镜对β钛合金的铸造及锻压后的显微组织进行金相观察。主要观察锻压加工后的晶粒、形貌、组织尺寸。金相试样经砂纸研磨机械抛光后采用HF∶HNO₃∶H₂O=1∶3∶5(体积比)试剂进行腐蚀。

2、试验结果与讨论

2．1力学性能

图2为β钛合金经锻压后硬度值测试情况。

由图2可知β钛合金棒材因锻压中形变不均匀，外缘形变比中部大，其测试的硬度值表现为从外到内逐渐降低，提示需要进一步精细锻压及热处理以达到材料从里到外硬度均匀一致性。

表2为β钛合金经锻压后室温拉伸测试数据统计，其抗拉强度在827～867MPa之间，伸长率为17．5%～20%，表征锻压后β钛合金材料的塑性性能良好。

根据公式2可知β钛合金强度由析出次生相的尺寸大小和体积分数决定，而试验未对β钛合金进行固溶处理，α相析出较少，含量较低，造成合金硬度相对低。

式中:σ为屈服强度，α_p为初生α相，α_s为次生α相，fα_p与fα_s分别为初生α相与次生α相体积分数，dα_p和dα_s分别为初生α相和次生α相晶粒尺寸。

2．2金相微观显微组织观察

图3为观察到的β钛合金铸造后的金相显微组织，从图3中可以看出，β钛合金内部晶界较为分明，有些无规则的线条存在晶体内部。晶粒平均尺寸大约为1500μm左右，构成有较多大尺寸的铸造组织，合金内部个别地方观察到气孔等缺陷。

图4(a)、(b)分别为β钛合金经锻压后外缘部及中部的金相显微组织图片，和图3铸造金相组织图进行对比可得出以下结论:β钛合金经机械锻压加工后，初始铸造金相显微组织产生了较多变化，β钛合金内部原始观察到气孔等缺陷基本不见或大幅降低。钛合金的晶粒平均晶粒尺寸约为450μm左右，可观察到β晶内部有矩形条状孪晶且分布密度相对很高，β钛合金晶粒相对锻压前较细。对比图4(a)、(b)外缘部及中部的金相显微组织图片可知β钛合金外缘部晶粒相对均匀，尺寸小而细，中部晶粒尺寸大且不均匀分布，存在小再结晶与大尺寸晶粒组成的混晶。根据Hall-Petch公式(公式如式3所示)可知锻压后β钛合金晶粒细小可提高合金材料的屈服强度，使材料的塑性性能得到改善。