TA16鈦合金管材拉伸性能及組織研究

TA16合金的名義成分為Ti-2Al-2.5Zr,是一種單相α型鈦合金,相變點(diǎn)約930℃。由于TA16合金具有較高的塑性、適中的強(qiáng)度,并具有良好的冷、熱加工性能、耐蝕及焊接性好等特點(diǎn)而主要以管材形式在航空、船舶及核反應(yīng)堆等領(lǐng)域作為管路系統(tǒng)應(yīng)用[1-7]。管路系統(tǒng)長期是在高溫、高壓及高應(yīng)力等條件極為復(fù)雜、苛刻的工況下使用,要求管材具有良好的室溫、高溫性能、工藝性能和抗腐蝕性能。而隨著航空、航天產(chǎn)品小型化、輕型化的發(fā)展需要,對(duì)管路系統(tǒng)提出了更高的要求。

本文通過對(duì)冷軋后的TA16鈦合金管材進(jìn)行不同溫度的熱處理,取樣分析管材室溫拉伸性能和金相組織,探索熱處理溫度對(duì)TA16合金管材性能和顯微組織的影響。選擇最佳工藝進(jìn)行批量熱處理,進(jìn)行室溫拉伸性能和工藝性能測(cè)定。由于TA16合金管材需長期在高溫環(huán)境下服役,取樣進(jìn)行不同溫度的高溫拉伸測(cè)試和拉伸斷口形貌觀察,研究TA16合金管材在不同溫度下性能和斷口形貌的變化規(guī)律。

我國鈦合金管材在管路系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用方面與國外先進(jìn)國家仍存在較大差距,在小規(guī)格管材的研制和加工技術(shù)方面落后,產(chǎn)品存在性能不穩(wěn)定、批次性差、晶粒粗大等問題。作者希望這些研究工作的開展有助于加深對(duì)鈦合金塑性變形規(guī)律的認(rèn)識(shí),能夠?yàn)門A16合金的生產(chǎn)和推廣提供幫助。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇1級(jí)海綿鈦、原子能級(jí)海綿鋯和鋁箔、鋁豆為原料,經(jīng)過3次真空自耗電弧爐熔煉制備成φ160mm的TA16合金鑄錠,鑄錠化學(xué)成分見表1。

TA16合金鑄錠經(jīng)過開坯,精鍛成φ100mm棒坯。棒坯經(jīng)車光、鉆孔、包套后采用1500t臥式擠壓機(jī)擠制成φ30mm管坯。采用LG30軋機(jī)進(jìn)行開坯至φ21mm后,采用LD30/15/8軋機(jī)進(jìn)行不同變形量、多道次精軋至成品。軋制后的管材經(jīng)過除油酸洗后,分別經(jīng)不同溫度(600℃、650℃、700℃、750℃)保溫60min,熱處理均采用φ250伊2500mm真空熱處理爐進(jìn)行。試樣截面經(jīng)過磨制、拋光后,使用腐蝕劑(1~3mLHF+2~6mLHNO3+100mLH2O)進(jìn)行腐蝕,浸蝕時(shí)間為10~20s。采用OlympusMPG3立式金相顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察。管材試樣室溫拉伸性能在INSTRON5985萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)定,管材試樣高溫拉伸性能在INSTRON5982萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)定Rm,Rp0.2,A分別為材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率。在JSM-6700F掃描電子顯微鏡上觀察拉伸試樣的斷口形貌。

2、結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度對(duì)TA16合金管材室溫拉伸性能的影響

TA16合金管材是經(jīng)過大變形量冷軋而成。管材經(jīng)過加工內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、缺陷以及較大的殘余應(yīng)力,使得管材強(qiáng)度較高,塑性較低。圖1為不同熱處理溫度與力學(xué)性能的關(guān)系曲線。由圖1可見,管材在不同的熱處理制度下,隨著溫度的升高,其強(qiáng)度和塑性均呈下降趨勢(shì)。管材在600℃熱處理時(shí),獲得較好的強(qiáng)塑性匹配,主要是由于經(jīng)過大變形軋制使得管材晶內(nèi)儲(chǔ)能較多,回復(fù)較快所致。在600~750℃熱處理時(shí),管材的強(qiáng)度變化不明顯,管材的抗拉強(qiáng)度介于575~600MPa,屈服強(qiáng)度介于425~475MPa。在750℃熱處理時(shí),管材的抗拉強(qiáng)度并不隨溫度的升高而變化,基本保持穩(wěn)定水平,反而管材的塑性降低,主要是由于隨著溫度的升高晶內(nèi)儲(chǔ)能充分釋放,加工硬化得到消除,高的熱處理溫度造成再結(jié)晶晶粒長大引起。

屈強(qiáng)比是判斷金屬材料塑性的重要指標(biāo),也是制定金屬塑性加工工藝的重要依據(jù)之一。通常情況下鈦及鈦合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度差異較小,即屈強(qiáng)比較高,一般在80%以上,而許多中、高強(qiáng)度的鈦合金的屈強(qiáng)比在95%以上,導(dǎo)致塑性相對(duì)較差。圖2為不同熱處理溫度對(duì)管材屈強(qiáng)比的影響曲線。由圖可見,隨著熱處理溫度的升高,屈強(qiáng)比逐步減小,管材試樣產(chǎn)生明顯的軟化,有利于管材的冷加工。

2.2 熱處理溫度對(duì)TA16合金管材室溫拉伸組織的影響

選擇不同的熱處理制度對(duì)合金組織及晶粒大小有著直接的影響,管材試樣低于600℃熱處理時(shí),變形流線組織明顯減少,但仍然殘留著部分破碎的加工態(tài)變形組織;在600℃熱處理時(shí),TA16合金發(fā)生再結(jié)晶并獲得較好的強(qiáng)塑性匹配,主要是由于管材經(jīng)過大變形提高位錯(cuò)密度,而合金中80%~90%再結(jié)晶儲(chǔ)存能是以位錯(cuò)形式儲(chǔ)存于變形金屬中,位錯(cuò)產(chǎn)生的再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力與位錯(cuò)密度成正比。因而變形后的金屬內(nèi)部變形量越大其儲(chǔ)存能就越高,再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也就越大[5]。隨著熱處理溫度的升高,在650℃、700℃和750℃時(shí)TA16合金再結(jié)晶的    晶粒逐漸長大(見圖3)。

2.3 成品管材熱處理后的工藝性能

從不同溫度熱處理后的試樣拉伸性能可看出,管材經(jīng)600℃熱處理可獲得較好的強(qiáng)塑性匹配。采用該溫度對(duì)成品管材進(jìn)行批量熱處理,測(cè)得的室溫拉伸性能完全符合GJB3423A-2008要求(性能見表2)。在室溫下,用錐度為74℃的頂芯在管材軸向施加壓力,使管材產(chǎn)生外徑為原始外徑的1.3倍的擴(kuò)口變形后,管材試樣擴(kuò)口處表面沒有出現(xiàn)裂紋和其他可見的缺陷。按照彎曲半徑為管材名義外徑的3倍要求,使管材試樣彎曲180℃,彎曲處表面沒有出現(xiàn)裂紋和其他可見的缺陷。管材進(jìn)行壓扁試驗(yàn),壓至規(guī)定的間距H時(shí)(①H=3.33mm;②H= 4.93mm;③H=6.15mm;④H=8.15mm),管材表面沒有出現(xiàn)裂紋和其他可見的缺陷。

2.4 熱處理溫度對(duì)TA16合金管材高溫拉伸性能的影響

TA16鈦合金管材主要在航空、艦船、核反應(yīng)堆熱交換系統(tǒng)、液壓管路系統(tǒng)中是在高溫、高壓及高應(yīng)力等極為復(fù)雜的惡劣工況下工作,工作溫度通常在350℃左右。在長期服役中TA16合金管材內(nèi)部必然產(chǎn)生較大的溫度梯度和應(yīng)力梯度,引起材料產(chǎn)生循環(huán)往復(fù)的局部塑性變形。因此,在高溫下管材性能的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性影響至關(guān)重要。選擇100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃對(duì)TA16合金管材進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn),觀察管材在高溫下性能的變化規(guī)律。

由圖4可見,隨著拉伸溫度的升高,管材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在100~200℃拉伸時(shí),管材的抗拉強(qiáng)度從497MPa下降到404MPa,屈服強(qiáng)度從315MPa下降到265MPa,強(qiáng)度降幅比較明顯。在250~350℃拉伸時(shí),管材的抗拉強(qiáng)度從404MPa下降到341MPa,屈服強(qiáng)度從265MPa下降到229MPa,強(qiáng)度變化呈緩慢下降趨勢(shì),TA16合金管材性能在這個(gè)區(qū)間表現(xiàn)出對(duì)溫度不敏感,對(duì)材料長期在300℃左右溫度下使用的安全性和可靠性非常有利。 350℃高溫拉伸所測(cè)的管材性能滿足GJB3423A規(guī)定的Rm≥245MPa,Rp0.2≥177MPa的要求。

2.5 熱處理溫度對(duì)TA16合金管材高溫拉伸斷口形貌的影響

用SEM電鏡觀察TA16合金管材高溫拉伸斷口形貌,從拉伸斷口的SEM分析看(見圖5),所有試樣經(jīng)過高溫拉伸的斷口均出現(xiàn)頸縮,斷口明顯可見大量撕裂棱和韌窩,撕裂棱下有大量滑移線,韌窩淺且窩底平坦,另外斷口上出現(xiàn)一定數(shù)量的河流狀特征。由于韌窩和撕裂棱高度較低,因此TA16合金在350℃下的塑性低于室溫也是必然的。

3、結(jié)論

(1)TA16合金管材在600~750℃熱處理時(shí),管材的強(qiáng)度、塑性和屈強(qiáng)比隨著溫度的升高均呈下降趨勢(shì),在600℃熱處理時(shí),管材可獲得最佳的強(qiáng)塑性匹配。管材的內(nèi)部組織發(fā)生再結(jié)晶,隨著溫度的升高,晶粒逐漸長大。

(2)選擇600℃批量熱處理時(shí),測(cè)得的管材室溫拉伸性能及工藝性能符合GJB3423A要求。

(3)TA16合金管材在100~350℃高溫拉伸時(shí),管材的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),測(cè)得的管材350℃高溫拉伸性能符合GJB3423A要求。管材高溫拉伸斷口均出現(xiàn)頸縮,表現(xiàn)出塑性斷裂的特征。

參考文獻(xiàn)

[1]于振濤,周廉,鄧炬,等.Ti-2Al-2.5Zr合金管、板材織構(gòu)研究[J]稀有金屬材料與工程,2000,29(2):86-89.

[2]佟學(xué)文,李勝杰,楊隴林,等.TA16鈦合金熱加工管材工藝研究[J]金屬學(xué)報(bào),2002,38(增刊1):397-399.

[3]李遠(yuǎn)睿,胡躍均,王書珍.Ti-2%Al-2.5%Zr鈦合金的高溫持久強(qiáng)度[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(3):56-59.

[4]魏壽庸,祝瀑,劉峰,等.Ti-2Al-2.5Zr鈦合金簡介[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,1998,15(3):6-8.

[5]江志強(qiáng),楊合,詹梅,等.鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J].塑性工程學(xué)報(bào),2009,16(4):44-50.

[6]楊英麗,盧亞鋒,郭荻子,等.氧含量及軋制工藝對(duì)純鈦管材性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2011,28(5):27- 30.

[7]高文靜.TA16鈦合金管材工藝研究[J].熱加工工藝,2016,45(1):163-165.

[8]周偉,陳軍,趙永慶,等.鉭鈦合金再結(jié)晶退火工藝研究[J].熱加工工藝,2006,35(20):61-63.