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              時效溫度對TC20鈦合金鍛造棒材組織與性能的影響

              [ 信息發布:本站 | 發布時間:2023-11-27 | 瀏覽:13299 ]

              鈦及鈦合金因其密度小、比強度高、耐腐蝕和生物相容性好等優良性能,是極其重要的輕質結構材料,廣泛用于航空航天以及生物醫學等領域,具有重要的應用價值和廣闊的應用前景,與傳統同類醫用鈦合金TC4相比而言,TC20鈦合金選用原子濃度相同且性能與組織穩定、無毒害作用的Nb替代V,解決了TC20鈦合金作為醫用置換術關鍵性材料的難題。

              固溶時效又稱強化熱處理,通過調控鈦合金相變過程實現強化效果,是TC20等α+β型合金最主要的熱處理方式。目前對于TC20的工業化研究只限于熱連軋線材與板材軋制等領域,而對于全流程等溫鍛造的小規格棒材組織與性能的研究相對較少,為此本文研究了不同時效溫度下TC20鈦合金鍛造棒材的組織演變及熱處理工藝對其組織和性能的影響,旨在為全流程鍛造生產的TC20小尺寸鈦合金棒材提供生產經驗。


              試驗材料以及方法

              試驗所用材料為寶雞鈦業股份有限公司生產,經真空自耗電弧爐二次熔煉的φ696mm錠型鑄錠,經過β區開坯鍛造+兩相區鍛造(鐓粗和拔長)+兩相區徑向鍛造等一系列工序生產的φ32mm棒材。根據YS/T 1262-2018的試驗方法測得化學成分見表1,經金相法測得該棒材本體相變點為1001℃。

              表1鑄錠化學成分(質量分數,%)


              熱處理試驗在箱式電阻爐中進行,表2為熱處理制度;檢測顯微組織采用Axiovert 200 MAT光學顯微鏡,利用Clemexe成像軟件配合光學顯微鏡確定顯微組織中初生α相的體積分數,室溫拉伸性能檢測使用Instron 5885電子萬能材料試驗機,室溫沖擊韌性使用JNS 300擺錘式沖擊試驗機。

              表2經鍛棒材熱處理制度

              試驗結果與討論分析

              時效溫度對材料微觀組織的影響

              TC20固溶時效主要依靠轉變β組織在后續的長時間時效過程中析出彌散的α固溶體,使合金在強韌性方面得到協同提高。TC20鈦合金鍛棒在經相區固溶+時效處理后的顯微組織為典型的混合組織,由初生的等軸α相與β轉變組織組成,如圖1(a)所示。經950℃高溫固溶隨后空冷,會獲得大量的針狀次生α相及少數殘留β相,在隨后的低溫時效過程中,形成少量時效ω相和β相。隨著時效溫度的不斷升高,初生α相含量與尺寸變化不大,這是由于950℃固溶溫度在TC20合金相變點附近,較高的固溶溫度使得過飽和度增大,而轉變β組織在熱力學上屬于亞穩相,隨后的時效過程屬于亞穩相的緩慢分解與析出,而亞穩相的分解與析出優先在晶界等能量較高的位置發生,對于尺寸較大的初生相基本不會產生影響。次生α相片層對隨后的時效溫度更加敏感,在時效過程中,次生片層α相從β晶界、α/β相界及α相晶內析出,其形貌表現為細長而又平直的松針狀,如圖1(d)所示。并且次生α形貌以及尺寸隨著時效溫度的升高發生趨勢性變化:⑴當時效溫度為500/525℃時,次生α相與其相組元之間的邊界比較模糊,而隨著時效溫度的不斷升高,次生α相與周圍其他組元之間的邊界逐漸變得清晰;⑵隨著時效溫度的不斷升高,次生α相的形貌由細針狀逐漸變得短粗,進而當溫度達到600℃時,變成典型的板條狀聚集分布,寬度達到500℃試樣的1.3~2倍。


              圖1不同時效溫度下的顯微組織

              次生細針狀α相片層組織的形貌粗化是一種外界溫度驅動下的熱力學激活過程,并且時效溫度越高,為此激活過程會提供更多的生長驅動力,同時降低了系統中次生組元的形核速率,當系統處于一定的溫度下,其次生α相的形核速率減慢,而此時的生長驅動力加快,進而必將促使次生片層α相發生粗化,而其粗化速率受到溶質原子的擴散率所控制。

              組織與力學性能的相關性討論

              TC20合金鍛造棒材不同時效狀態下力學性能見表3,棒材經固溶時效處理后,組織中析出大量次生片層狀α相,此時當沖擊形成的裂紋向材料內部擴展遇到取向不同的次生α片層時,裂紋會發生分解,使得一大部分裂紋方向發生改變,隨之沿著次生α片層的最易動位向進行擴展,而大量次生α片層之間相互縱橫交叉,次生裂紋的擴展方向會不斷發生改變,所以α片層形貌上的粗化現象,會導致斷裂韌性值不斷下降,時效溫度高于550℃之后,斷裂韌性值降低很快;就材料強韌性而言,500~550℃之間時,其抗拉強度降低不多,力學性能比較平穩(降幅在1.01%),并且延伸率增幅較大(增幅在25.9%),隨后當溫度高于550℃時,其延伸率急劇下降后又逐漸恢復平穩狀態。結合室溫拉伸性能與沖擊性能,當固溶時效制度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時,斷裂韌性值為56J/cm2,抗拉強度為910MPa,延伸率為19%,實現了材料強韌化的協同提高。

              表3不同時效狀態下力學性能


              結論

              ⑴TC20鈦合金鍛棒在固溶時效處理后為典型的混合組織,并且隨著時效溫度的不斷升高,次生α相的形態由細針狀逐漸轉變為板條狀,發生熱激活下的粗化現象。

              ⑵初生α相的含量以及形貌對試驗所設時效溫度不敏感。

              ⑶固溶時效制度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時,斷裂韌性值為56J/cm2,抗拉強度為910MPa,延伸率為19%,實現了鍛造棒材強韌化的協同提高。

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