钛合金热处理后的显微结构及力学性能研究

1、    钛合金热处理后的显微结构及力学性能研究    张星煜 辛先谱摘  要：通过兼有+和钛合金的tc18（bt22）钛合金性能特征研究，近型的一种结构模式。退火状态下强度最高的合金具有良好的可焊接性、锻透性和淬透性等优势，较好的强韧性匹配，可用来制造大型锻件和模锻件，钛合金可制成锻件、模锻件、棒材等。结合显微结构及力学性能实验测试结果表明，共同影响晶粒的生长过程的保温时间延长热力学和动力学因素，影响逐渐减小的保温时间较短动力学因素，建立了晶粒尺寸使用回归分析，通过回归分析建立了力学性能与各因素之间的定量关系。关键词：钛合金;热处理后;显微结构

2、;力学性能中图分类号：tg166         文献标志码：a         文章编号：2095-2945（2020）36-0094-02abstract： through the study of the properties of tc18 （bt22） titanium alloy with both + and titanium alloys， it is a-type structural mode. the alloy with the highest strength in t

3、he annealed state has the advantages of good weldability， malleability and hardenability， and good matching of strength and toughness， which can be used to make large forgings and die forgings， and titanium alloys can be made into forgings， die forgings， bars and so on. combined with the experimenta

4、l results of microstructure and mechanical properties， it is shown that the thermodynamic and kinetic factors that affect the holding time of grain growth are prolonged， and the shorter holding time is influenced by the decrease of holding time. the regression analysis of grain size is established，

5、and the quantitative relationship between mechanical properties and various factors is established by regression analysis.keywords： titanium alloy; after heat treatment; microstructure; mechanical properties引言tc18（bt22）鈦合金是一种具有代表性的高强高韧钛合金，具有较好的强韧性匹配，很高的退火状态强度水平。达到1080mpa采用强化处理方式，可超过1300mpa的强度1。钛合金具有

6、极佳淬透性，合金退火强度最高，可达250mm的截面淬透厚度，通常用于制造飞机上的大型承力构件，钛合金在航空工业中具有重要的地位2。国际航空界材料由传统的静强度转变为损伤容限设计，塑性和韧性的良好匹配，损伤容限型钛合金需要达到一定强度。断裂韧性在钛合金的研究中发现通常与强度呈反比，钛合金的强韧化机制及方法是重点的研究方向3。国内外关于tc18钛合金热处理制度对组织及性能的研究较多，但处理后显微结构及力学性能研究较少，且系统性研究较差4。因此，本文针对钛合金热处理后的显微结构及力学性能研究，通过实验优化tc18钛合金的性能，定量地分析处理后显微结构及力学性能，开发新型高强高韧钛合金，改善同类型钛合

7、金的性能具有重要研究价值。1 钛合金的显微结构及力学性能1.1 钛合金的显微结构热加工过程多种多样的钛合金，具有十分复杂的相变，其组织类型比较多，包括双态组织、三态组织、等轴组织、网篮组织和魏氏组织。不同的显微组织将具有不同的力学性能，组织决定性能。1.2 钛合金的力学性能室温下变形量可达到90%的碘化法钛，其塑性很好。在77k附近时都不发生脆断，冲击加工的缺口试样。随温度的升高而升高的碘化法钛的延伸率和断面收缩率，抗拉强度和屈服强度随温度的升高而降低。钛的杂质元素n、o、c由大到小依次排列，均能提高钛的抗拉强度而降低其塑性。h含量达到0.0120.015%（wt.%）的钛合金中，力学性能试样

8、的冲击急剧降低，其缺口敏感性大大增加，发生所谓的“氢脆”。除上述元素外，由强到弱依次为cr、co、nb、mn、fe、v、sn七种常用元素对钛强度的影响，也可提高钛合金的强度。与铝、镁合金相比，其强度比好些合金钢还要高，钛合金的强度是镁合金的5倍左右，铝的2倍多6。钛合金却变化很小，与室温下的相比大大降低镁、铝合金673k时的强度。约为钢的一倍多的钛合金弹性系数，普通钛合金的抗拉强度为280mpa1100mpa，当下所有应用的金属材料中最高的钛合金的比强度，抗拉强度可达1270mpa1480mpa的高强钛合金。2 实验材料及实验方法2.1 实验材料制备通过真空自耗炉三次熔炼，按照ti-5al-5

9、mo-5v-1cr-1fe（wt.%）成分配料的tc18钛合金，化学成分为ti-5.01al-4.69mo-5.14v-1.03cr-1.06fe（wt.%）实测。在890两墩两拔至150mm圆棒，1150六墩六拔开坯成220mm圆棒，一墩一拔成60×100×lmm坯料的810。测定合金的相变点通过金相法，温度升高的热处理，热处理温度值为840860之间，逐渐减少合金中初生相的含量。当达到880以上热处理温度时，在870时有极少量的热处理温度初生相，等轴的形成晶粒组织，确定合金的相变点大约为875，初生相已完全消失。2.2 实验方法（1）实验热处理方案实验热处理方案采用区固

10、溶主要为了研究tc18钛合金晶粒的长大规律，区固溶及+两相区固溶+时效的热处理制度，在1080、1130、1180加热，热处理制度分别保温1、2、3、4h后空冷，热处理制度、目标组织和实验目的合金。（2）组织参数测量开发的图像分析软件image-proplus（ipp）6.0，美国mediacybernetics公司微观组织参数，测量了初生相p体积分数v1，次生相s厚度d2、体积分数v2，等效圆直径法晶粒尺寸d。3 热处理后显微组织和组成相特征参数的影响tc18钛合金经过固溶时效处理后，取决热加工工艺参数及热处理后的显微组织，很大程度合金的以上力学性能，具有强度、疲劳强度、韧性和抗裂纹扩展性能

11、的良好匹配，各显微组织及组成相的特征参数是影响合金力学性能的直接因素。通过热处理温度与显微组织关系的研究，不同的热处理制度组成相及特征参数的研究较少，时效温度对合金组成相特征参数，不同的固溶通过大量的统计计算得出。对tc18钛合金显微组织的影响规律，固溶时效及双重热处理温度提供有力依据。tc18钛合金均由和两相组成，在750860之间进行固溶处理后。时效处理后亚稳相将发生分解，合金仍由和两相组成，同时会造成合金元素的重新分布。3.1 热处理对显微组织的影响在时效前固溶温度的升高，不同固溶温度合金的扫描照片，等轴相的等效圆直径变化不明显，合金中初生等轴相的含量减少。在时效处理条件下，亚稳定相中将

12、析出条状的次生，不同固溶及时效温度下合金的扫描显微组织。固溶及时效温度的变化，体积分数等也发生变化，析出的次生s相的厚度。在500时效条件下，在转变基体中析出的次生s相的弥散程度增大，固溶温度的升高。在780固溶条件下，由500时效后的细小弥散状长成了经600时效后的长条状，次生的s相开始长大，时效温度的升高。第一阶段热处理温度在相变点温度以下时，双重热处理制度下初生相的显微组织，初生相呈短棒状特征。当第二阶段温度降低时，为不规则的多边形和短棒状组织组成的混合组织，初生相的形态将发生变化。第一阶段温度在相变点以上，第二阶段温度在相变点以下时，晶界处长条状相清晰可见，不同的显微组织将具有不同的力

13、学性能，组织决定性能晶内也由有一定趋向关系的长条状相组成。3.2 热处理对、相晶格参数的影响规律tc18钛合金的xrd谱，固溶温度对和相晶格参数的影响规律，采用外推法计算出和相的晶格参数。时效前相晶格常数增加，随固溶温度的升高，c值和c/a均先增加然后减小，相的a值基本保持不变;時效后固溶温度的升高，相同时效条件下相的晶格常数减小，c值和c/a均减小，相的a值稍降;相同固溶条件下，相的a值、c值和c/a均增加，相的晶格常数增加，随时效温度的升高。合金元素与钛原子体积差异综合作用的结果，合金元素在两相中的分布改变，随着热处理温度的变化。固溶处理时，tc18钛合金中的合金元素（al、mo、v、cr

14、、fe）原子直径均小于钛原子直径，会造成升高固溶温度。使得两相的晶格常数减小，和相中的稳定元素含量升高;使得两相的晶格常数增加，稳定元素含量降低。对于相，造成了相的稳定性随固溶温度的升高而降低，相晶格常数随固溶温度的升高而增加，显然稳定元素含量的减少对晶格常数的影响占据了主导地位。对于相，稳定元素含量的减少对晶格常数的影响占据主导地位。较低温度固溶时，稳定元素含量升高对晶格常数的影响占据主导地位。较高温度固溶时，相的晶格常数出现了非单调变化，造成固溶时随固溶温度的升高。时效处理后，造成各相中的合金元素重新分布，亚稳相将发生分解。相中则含有更低的稳定元素含量和更高的稳定元素含量，分解形成的新的相

15、中含有更高的稳定元素含量和更低的。4 热处理后的特征参数对力学性能的影响拉伸性能与固溶温度的关系：tc18钛合金室温拉伸性能随固溶温度的变化曲线，合金的强度和面缩率呈下降趋势，时效前随着固溶温度的升高，抗拉强度（rm）约980mpa下降至约900mpa。合金的延伸率（a）基本保持在15%左右，面缩率（z）由约65%下降至约35%。在500时效时，合金的抗拉强度由约1370mpa提高至约1700mpa，随着固溶温度的升高，合金的延伸率也由约10%下降至约4%，约50%降至约3%强度提高约330mpa面缩率。550时效时，约55%下降至约20%强度提高约180mpa面缩率，约1270mpa提高至约

16、1450mpa合金的抗拉强度，延伸率由约10%下降至约5%。600时效时，面缩率由约60%下降至约37%，合金的抗拉强度由约1170mpa提高至约1350mpa，延伸率由约13%下降至约10%。5 结论通过tc18钛合金区固溶，采用区固溶及+两相区固溶时效的热处理制度，晶粒的长大规律及其热力学动力学分析。固溶时效温度及各组织参数对tc18钛合金性能的影响，+两相区固溶时效后，依据回归方程对各组织参数和性能的关系进行预测，合金的强度均呈下降趋势，p体积分数、s体积分数及厚度的增加，呈上升趋势的塑性，对tc18钛合金室温力学性能的影响要大，p体积分数较s体积分数及厚度。参考文献：1鲍学淳，程礼，陈煊，等.热处理工艺对tc