時效溫度對BTi-6554鈦合金棒材組織及性能的影響

草蟲gg 2022-07-08 發(fā)布于四川

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文／傅開，屠孝斌，段曉輝，張曉龍，趙金星·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

隨著我國航空航天及船舶工業(yè)的不斷發(fā)展，鈦合金材料的使用占比越來越高，對鈦合金材料力學(xué)性能要求也不斷提高，除了要求高強度外，還需要有良好的斷裂韌性和疲勞性能。新型高強高韌鈦合金B(yǎng)Ti-6554(Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al)是一種由寶鈦集團自主研發(fā)的亞穩(wěn)定β 鈦合金。此合金具有綜合力學(xué)性能優(yōu)異、無高熔點、易產(chǎn)生β 偏析元素與合金性能重現(xiàn)性好等優(yōu)點，被用來取代傳統(tǒng)高強高韌鈦合金Ti-1023、BT22 等，現(xiàn)以航天緊固件、兵器、賽車彈簧、海底管道等實際應(yīng)用為主。作為一種亞穩(wěn)定β 鈦合金，BTi-6554 的力學(xué)性能對時效制度非常敏感。

本文主要研究了不同時效制度對BTi-6554 棒材組織性能的影響，試驗表明，隨著時效溫度的提高，強度降低，塑性提高，斷裂韌性提高。在所選取的熱處理工藝中，熱處理制度為900℃/保溫2h/AC+530℃/8h/AC 時的各項力學(xué)性能較好。

試驗材料及方法

試驗采用真空自耗電弧爐經(jīng)過三次熔煉的φ1020mm 鑄錠，此鑄錠先在10000t 鍛造機及2500t 快鍛機進行了多個火次的鍛造，鍛造為規(guī)格φ170mm 的棒材，后在3150t 鍛造機鍛造為規(guī)格200mm×180mm×Lmm的扁方，隨后經(jīng)過縱向剖開進行熱處理試驗。合金化學(xué)成分如表1 所示。

表1 BTi-6554 鈦合金化學(xué)成分(%)

在該棒材上截取樣段進行相同固溶溫度900℃/2h/AC，不同時效溫度的熱處理試驗，其方案如表2 所示。熱處理后，試樣按GB/T 5168-2020進行高低倍組織檢驗，按GB/T 228.1-2010《金屬拉伸試驗方法》進行室溫拉伸試驗，獲得不同時效溫度下的高低倍組織、抗拉強度、屈服強度、延伸率及斷面收縮率數(shù)據(jù)，試驗采用V(HF)：V(HNO3)：V(H2O)=1:3:10 的混合液腐蝕試樣，在OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡上觀察不同溫度下的組織形貌。

表2 BTi-6554 鈦合金棒材熱處理制度

試驗結(jié)果及分析

時效對顯微組織的影響

圖1 為BTi-6554 鈦合金棒材在不同時效溫度下熱處理后的顯微組織。由圖1 可以觀察到其顯微組織均為在β 基體上分布著初生α 相和時效過程中析出的細(xì)長針狀的次生α 相。并且，隨著時效溫度的升高，晶內(nèi)次生α 相發(fā)生了明顯地聚集與長大，這是由于在時效過程中發(fā)生了β →α＇+β 的轉(zhuǎn)變。時效溫度對元素擴散過程的影響較大，當(dāng)時效溫度較低時，由于元素擴散速度較慢、擴散距離較短，次生α 相在β 晶內(nèi)大量彌散析出；當(dāng)時效溫度升高時，元素擴散加劇，擴散距離增加，導(dǎo)致次生α 相傾向于在β晶界、α/β 相界等位置析出，且溫度越高，這種析出趨勢越明顯，進而導(dǎo)致次生α 相的尺寸隨著時效溫度的升高而增大。

圖1 不同時效溫度處理的棒材顯微組織

力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖2 為合金的抗拉強度及屈服強度對比圖，BTi-6554 合金的抗拉強度與屈服強度隨時效溫度升高而下降，在一次時效后其抗拉強度先從1364MPa 降到1333MPa后降到1314MPa，屈服強度先從1284MPa降到1261MPa 后降到1233MPa。這是由于溫度升高導(dǎo)致合金組織內(nèi)α 相尺寸隨溫度升高而變大，α 相尺寸的增大使得合金的力學(xué)性能降低，且合金處在較長的時效時間下組織內(nèi)次生α 相充分析出并長大，并且在溫度越高的情況下，次生α 相也發(fā)生了更高的粗化，從而對力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

圖2 時效處理后合金抗拉強度與屈服強度

同時，可以看出，在相同溫度下合金在進行二次時效后抗拉強度和屈服強度比一次時效有明顯的增高，且二次時效后抗拉強度與屈服強度也是隨時效溫度升高而下降。

圖3 為BTi-6554 合金的斷面收縮率及斷后伸長率，隨著溫度的提升，合金的斷后伸長率和斷面收縮率都出現(xiàn)了增加，在一次時效后合金的斷后伸長率從2.5%增長到4.0%，斷面收縮率從6%增長到8%。隨著溫度的增長，合金的次生α 相析出越充分且相互聚集長大，這一過程導(dǎo)致合金的彌散強化程度下降并且對位錯的阻礙減小，組織的變化使得塑性與強度的變化趨勢出現(xiàn)負(fù)相關(guān)。