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TA10钛合金棒材组织与力学性能研究
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TA10钛合金棒材组织与力学性能研究

发布时间 :2023-02-26 20:42:24 浏览次数 :

由于钛及钛合金具有耐高温、耐低温、低密度和高比强度等众多优点,在军工、海洋、生物及化工等领域均有广泛应用[1-2]。TA10钛合金的名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni,属于一种常见的近α型钛合金,该合金是美国在20世纪所发明,其主要目的是替代高成本的Ti-0.2Pd合金,该合金除了具有较好的耐腐蚀性外,还具有中等强度的力学性能,其在化工领域、海洋工程和船舶工程等领域均广泛使用,是目前市面上用途最广泛的合金之一[3-4]。

钛合金棒

因为该合金的应用领域十分广泛,国内外大量学者对其进行了研究,苏娟华等[5]研究了TA10钛合金的高温拉伸断裂极限,结果表明:对该合金的断裂极限值影响较大的因素为应变速率和温度,提高变形温度会增加断裂极限值,随着变形温度升高到1050℃时,断裂极限值可达1.132;而升高应变速率会导致断裂极限下降,当应变速率为5s-1时,断裂极限为0.770。程帅朋等[6]研究了锻造工艺对TA10钛合金组织性能的影响,结果表明:增加合金的镦拔次数,会使合金强度先上升后下降;合金的断裂方式为准解理断裂;当合金经退火处理后,经1镦1拔后获得网篮组织,经2镦2拔后获得等轴晶组织,经3镦3拔后,组织变得粗大。

目前,虽然对该合金的研究较多,但鉴于工业生产与实际应用,生产工艺改进仍是增加该合金使用范围与使用前景的主要方法,本文提出一种新的锻造工艺生产TA10钛合金棒材,为该合金的生产应用作出相应参考。

1、试验材料与方法

本试验选用生产TA10钛合金的原材料为海绵钛和Mo-Ni中间合金,为保证生产铸锭成分的均匀性,采用真空自耗熔炼炉进行2次熔炼,随后采用ICP测试铸锭化学成分,测得TA10钛合金铸锭的具体化学成分为(质量分数,%):0.26%Mo、0.77%Ni、0.04%O、0.076%Fe和Ti余量。采用金相法测得TA10钛合金铸锭的相转变温度为890~895℃。随后根据相转变温度设定加热温度为820℃,随后使用自由锻造机进行2镦2拔后直接制成直径为150mm的棒材,其间不采用回火加热。相比于传统锻造工艺,本工艺的加热温度更低,且其间无回火阶段,极大地减少了生产周期及生产成本。

将成品TA10钛合金棒材进行切割,随后在切割好的TA10钛合金棒材中整取样并加工成金相试样、硬度试样及拉伸试样,分别测试棒材横向(T向)、纵向(L向)2个方向的拉伸性能、维氏硬度(测试条件为HV5),并同时观察其金相组织。金相组织观察的光学显微镜型号为Axiomatic,维氏硬度测试设备型号为7MHVS硬度计,拉伸性能测试使用型号为INSTRON电子万能试验机,测试项目为抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)、断后延伸率(A)和断面收缩率(Z),为保证试验准确性,硬度测试取样5点,拉伸性能每次试验测试3个试样,均最后取平均值,拉伸断口微观形貌使用ZIESS电子扫描显微镜进行观察。

2、试验结果与讨论

2.1金相组织

经锻造加工后的TA10合金棒材金相组织如图1所示。由图1可知,棒材的组织为典型的等轴组织,金相组织主要由初生α相组成,初生α相形貌以等轴状为主,同时组织中还包含β转变组织,其位于初生α相之间,茁转变组织包含次生α相及残余β相。由图1还可知,棒材的T向与L向金相略有差异,其中T向相比于L向的组织中,其初生α相等轴化程度更高,均匀性更好,而L向的组织中,其初生α相形貌等轴化较差,有部分较为粗大的初生α相。

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图1 经锻造加工后的TA10 合金棒材金相组织

合金在锻造变形过程中,组织中的初生α相及β相都会发生塑性变形,最终形成等轴状α组织,其中α相的形貌及含量受到变形温度、变形量及合金成分等参数的影响。在锻造过程中,随着合金变形量的不断增加,组织中粗大原始β晶粒受到压应力作用,会被压扁及发生破碎,同时沿着合金变形的流动方向被拉长,并产生扭曲、破碎且顺着变形方向进行排列[7]。当合金的变形达到一定程度时,组织中会形成带状结构,在达到相应条件后,组织中发生再结晶,进而形成等轴状α相[8]。

2.2力学性能

经锻造加工后的TA10合金棒材的力学性能如图2所示。由图2(a)可知,在棒材的拉伸性能方面,其抗拉强度(Rm)和屈服强度(Rp0.2)均是T向较高,其中棒材T向的抗拉强度为536MPa,屈服强度为410MPa,棒材L向的抗拉强度(Rm)为489MPa,屈服强度(Rp0.2)为338MPa。由图2(b)可知,在塑性方面,其T向与L向塑性性能接近,差异较小,其中棒材T向的断后延伸率(A)为21%,断面收缩率(Z)为35%,棒材L向的断后延伸率(A)为23%,断面收缩率(Z)为36%。

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图2 TA10合金棒材的力学性能

棒材的拉伸性能整体强度较低,而塑性较高,这是因为锻造棒材为等轴组织,形貌以等轴状α相为主。由于等轴状α相内能进行开动的滑移系较多,棒材试样在进行拉伸时,组织内部会产生滑移,位向因子会在体积最大的等轴α相中率先开动,因为等轴组织中包含较多的等轴琢相,试样在拉伸时产生的变形能够快速扩散到其余的晶粒中,避免了滑移在个别的琢晶粒中开动,进而产生应力集中,导致合金试样发生开裂,最终发生断裂。因为棒材L向的组织中存在较为粗大的初生α相,在拉伸的过程中,组织中粗大的初生α相会导致变形不能均匀地分散到其余晶粒中,使其容易发生应力集中,使棒材过早发生屈服现象,最终发生断裂[9-10]。

由图2(c)可知,棒材T向与L向的硬度值十分接近,其T向硬度值为210HV,L向硬度值为203HV。因为硬度值的测试与拉伸测试有所区别,硬度测试为组织中琢相的性能,因为棒材组织为等轴组织,在进行硬度测试过程,取样位置整体均以初生琢相为主,较少点会取自其余组织,导致棒材T向与L向的硬度值十分接近。

2.3拉伸断口微观形貌

TA10合金棒材拉伸断口微观形貌如图3所示。由图3可知,棒材T向与L向拉伸断口微观形貌几乎一致,均是以等轴状韧窝为主,其中韧窝形貌与数量是体现合金塑性大小的主要依据,当韧窝数量较多且深时,棒材具有较高的塑性值;当韧性数量较少且浅时,合金具有较低的塑性值。韧窝的产生是由于棒材进行拉伸时,较快的应变速率会使位错在滑移过程中产生应力集中,导致组织中的微孔发生形核,在拉伸不断进行过程中,位错运动受到的排斥力降低,微孔内会有少量位错进入,再次激活位错源,因为棒材在塑性变形的过程中会不断形成新的位错,导致微孔内会连续不断地进入新形成的位错,促使微孔生长,微孔不断地汇聚在断口处,并且留下痕迹,最终形成韧窝[11]。在棒材的断口微观形貌中还发现少量的二次裂纹,这是因为组织中存在β转变组织,棒材在拉伸过程中,位错运动受到阻塞作用,导致位错的运动产生一定偏移所导致,同时在棒材L向的断口微观形貌中有较为明显的撕裂棱,撕裂棱的出现代表棒材的强度较大,这与棒材实际拉伸性能一致[12]。

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图3 TA10合金棒材拉伸断口微观形貌

3、结论

(1)锻造加工后棒材组织为等轴组织,主要由等轴状初生α相组成,组织中还包含少β转变组织,棒材T向的初生α相等轴化程度更高。

(2)棒材的抗拉强度和屈服强度均是T向较高,其中棒材T向的抗拉强度为536MPa,屈服强度为410MPa,棒材L向的抗拉强度为489MPa,屈服强度为338MPa;在塑性方面,其T向与L向数值接近,差异较小,其中棒材T向的断后延伸率为21%,断面收缩率为35%,棒材L向的断后延伸率为23%,断面收缩率为36%,棒材T向与L向的硬度值十分接近,其T向硬度值为210HV,L向硬度值为203HV。

(3)棒材T向与L向拉伸断口微观形貌几乎一致,均是以等轴状韧窝为主,在棒材的断口微观形貌中还发现少量的二次裂纹。

参考文献:

[1]李辰,朱岩,林鹏.脉冲电流对TA1工业纯钛板弯曲成形性能的影响[J].塑性工程学报,2022,29(1):87-93.

[2]庞振,董新龙,吴文苍,等.TA2钛金属柱壳外爆绝热剪切碎裂及微观组织演化[J].稀有金属材料与工程,2021,50(12):4334-4341.

[3]苏娟华,孙浩,任凤章,等.TA10钛合金热加工图的建立及分析[J].中国有色金属学报,2018,28(1):78-86.

[4]程帅朋,苏娟华,任凤章.锻后热处理温度对TA10钛合金组织及性能的影响[J].金属热处理,2016,41(10):158-161.

[5]苏娟华,邵鹏,任凤章.TA10钛合金的高温拉伸断裂极限[J].金属热处理,2018,43(4):24-28.

[6]程帅朋,苏娟华,陈学文,等.锻造工艺对TA10钛合金组织性能的影响[J].河南科技大学学报(自然科学版),2017,38(3):6-9,3.

[7]张世进,李凯,易丹青,等.冷轧TA5钛合金退火过程的再结晶行为及织构演变[J].金属热处理,2022,47(2):1-8.

[8]MUHAMMADR,JUNXIAL,FEIC,etal.Microstructureevo-lutionandmechanicalbehavioroflasermeltingdepositedTA15alloyat500℃underin-situtensioninSEM[J].ActaMetallurgicaSinica(EnglishLetters),2021,34(9):1201-1212.

[9]武永,范荣磊,秦中环,等.热成形TA32钛合金薄壁件的形状控制与性能优化(英文)[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2021,31(8):2336-2357.

[10]王瑶,李永刚,李文辉,等.深冷处理对TC4钛合金滚磨光整加工性能的影响[J].稀有金属,2021,45(11):1289-1298.

[11]HUANGY,GAOH,NIXWD,etal.Mechanism-basedstraingradientplasticity-II.analysis[J].JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,2000,48:99-128.

[12]朱丽,孔融,吴伟平,等.TC1钛合金板材热加工性能研究[J].精密成形工程,2022,14(4):154-161.

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