简介概要

时效对TMC-2复合材料性能的影响

来源期刊：稀有金属2003年第1期

论文作者：刘瑞民李四清

关键词：TMC-2复合材料; 时效;

摘要：研究了时效制度对原位生成稀土钕氧化物颗粒增强Ti-6Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo复合材料(简称为TMC-2)棒材的组织和性能的影响. 结果表明, 采用直接时效处理可以获得比较高的室温拉伸强度和很低的650 ℃蠕变性能; 而采用1030 ℃/0.5 h/AC+800 ℃/0.5 h/AC+时效的热处理制度, 材料具有较好的拉伸、持久、蠕变和热稳定性等力学性能. 时效温度升高, 拉伸强度降低, 而拉伸塑性、蠕变抗力和热稳定性有所改善.

稀有金属 2003,(01),157-159 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.01.039

时效对TMC-2复合材料性能的影响

刘瑞民

北京航空材料研究院,北京航空材料研究院北京100095 ,北京100095

摘要：

研究了时效制度对原位生成稀土钕氧化物颗粒增强Ti 6Al 4Sn 3 5Zr 0 5Mo复合材料 (简称为TMC 2 ) 棒材的组织和性能的影响。结果表明 , 采用直接时效处理可以获得比较高的室温拉伸强度和很低的 65 0℃蠕变性能 ;而采用 10 3 0℃ 0 5h AC +80 0℃ 0 5h AC +时效的热处理制度 , 材料具有较好的拉伸、持久、蠕变和热稳定性等力学性能。时效温度升高 , 拉伸强度降低 , 而拉伸塑性、蠕变抗力和热稳定性有所改善。

关键词：

TMC-2复合材料;时效;

中图分类号： TB331

收稿日期：2002-10-20

基金：国家十五预研项目;

Effects of Aging on Properties of TMC-2 Composites

Abstract：

The effects of aging process on microstructures and properties of in situ reinforced neodymia Ti 6Al 4Sn 3 5Zr 0 5Mo alloy base composites (TMC 2) bars that were rolled at beta phase field were investigated. The results show that higher tensile strength in room temperature and very poor creep resistance at 650 ℃ of TMC 2 bars can be obtained by direct aging, whereas good mechanical properties of tensile, creep rupture, creep and thermal stability of TMC 2 bars can be obtained by 1030 ℃/0 5 h/AC+800 ℃/0 5 h/AC plus aging With aging temperature increasing, tensile strength decreases, tensile ductility, creep resistance and thermal stability increase

Keyword：

TMC 2 composite; aging; property;

Received： 2002-10-20

TMC-2是北京航空材料研究院在“九五”期间自行设计和研制的, 是以原位生成的稀土钕氧化物颗粒增强Ti-6Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo为基的复合材料, 可采用传统的两次真空自耗电弧熔炼方法制成。该材料经过合适的热处理后可以良好的拉伸、蠕变、热稳定和疲劳等综合力学性能, 此外还具有良好的热机械加工性能, 长期使用温度可以达到650 ℃, 已被选择作为我国在研高推比航空发动机高压压气机叶片的候选材料。它与常规钛合金一样, 可以通过热处理制度的调整来改善复合材料的力学性能, 以达到强度-蠕变-热稳定的最佳匹配。本文主要研究了时效温度、时间对材料的室温拉伸、热稳定和蠕变等性能的影响。

1 实验

试验用材料取自采用两次真空自耗电弧熔炼方法制成的50 kg铸锭的Φ15 mm和Φ19 mm棒材。其最后一火的加热温度为1040 ℃ (β相区) , 总变形量为75%。

试验的热处理制度为: 固溶+时效处理: 1030 ℃/0.5 h/AC+800 ℃/0.5 h/AC+650 ℃ (750 ℃/2 h, 8 h/AC; 直接时效: 700 ℃/8 h/AC; 热处理后进行试样机械加工, 室温拉伸试样的工作尺寸为Φ5 mm×Φ25 mm, 蠕变试样的工作尺寸为Φ10 nm×Φ50 mm。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

直接时效和固溶 (β区) +时效处理的TMC-2棒材的显微组织分别见图1 (a, b, c) 。 700 ℃/8 h/AC直接时效的显微组织仍然保留了β区轧制后的显微组织特征, 条状α相扭曲相当严重, 原始β晶界被完全破碎。这说明在β区轧制过程中, 在 (α+β) 两相区的变形量是比较大的。

固溶 (β区) +时效处理后的显微组织表现为: 基体组织是典型的魏氏体组织α (即在粗大的原始α晶粒上存在着具有的比较平直的、片状α相和晶界α相) , 增强体为稀土氧化物颗粒 (尺寸较大的黑色相) , 此外还有因时效析出的、尺寸非常细小的硅化物相。由图1 (b) 和1 (c) 可知, 时效制度对稀土钕氧化物颗粒相、片状α相的形貌和尺寸基本上不产生影响。

透射电子显微镜试验结果显示, 650～750 ℃温度时效后, 在片状α相内没有发现明显的Ti₃Al (α₂) 相析出, 但在片状α相的衍射试验中却发现有Ti₃Al (α₂) 相超点阵衍射斑点, 这表明在片状α相内已有α₂相析出。另外, 在α片间的β相内有硅化物相 (见图1 (d) ) 析出。这两种析出相是影响常规高温钛合金和TMC-2材料的性能的主要因素之一 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。这也是一个非常复杂的问题, 有待于做进一步研究。

图1 TMC-2棒材的显微组织

Fig.1 Microstructures of TMC-2 bars

(a) 700 ℃/8 h/AC; (b) 固溶+700 ℃/2 h/AC; (c) 固溶+750 ℃/8 h/AC; (d) 硅化物的TEM像; (e) 700 ℃/8 h/AC+650 ℃蠕变后; (f) 固溶+700 ℃/2 h/AC+650 ℃蠕变后

图1 (e) 和1 (f) 分别是直接时效和固溶 (β区) +700 ℃/2 h/AC处理材料经650 ℃蠕变后的显微组织。由图1 (e) 可以发现, 经过650 ℃蠕变后, 直接时效材料的部分初生α相发生了再结晶。这是由于材料的变形量大, 储存了大量的变形能, 在650 ℃/100 MPa/100 h的蠕变条件下, 部分片状α相发生了再结晶。比较图1 (b) 和1 (f) 可以发现, 固溶 (β区) +700 ℃/2 h/AC处理材料蠕变前后的显微组织基本上没有变化, 蠕变后的初生α相没有发生再结晶。

2.2 对力学性能的影响

2.2.1 对拉伸性能的影响

时效制度对室温拉伸的影响见表1。对于固溶+时效工艺, 随时效温度升高, 拉伸强度降低, 而塑性增加。随时效时间延长, 拉伸强度降低, 塑性也降低。这与Cope等[7]在研究时效温度对IMI834合金力学性能的影响时得到的结果非常相似。时效温度对拉伸性能影响的规律与其显微组织具有密切的关系。对于TMC-2材料, 650 ℃可能是α2相和硅化物相形核速度达到最大值的温度, 因此析出相的弥散强化效果明显。而700 ℃及其以上温度已经到达了过时效温度, α2相和硅化物相的尺寸增大, 强化效果降低。直接时效的强度最高, 而塑性也较好, 这可能是由于其α相集束尺寸相对细小的缘故。

2.2.2 对热稳定性能的影响

时效制度对650 ℃/100 h试样热暴露后的室温拉伸的影响见表2。随时效温度升高, 热稳定性能有所改善。随时效时间延长, 热稳定性能有所降低。直接时效的热稳定性能一般。

2.2.3 对蠕变和应力热稳定性能的影响

时效制度对650 ℃蠕变和应力热稳定性能的影响见表3。直接时效的650 ℃蠕变性能很差, 这与其α相集束尺寸以及初生α相的再结晶有关。当要求高蠕变性能时, 对于 (α+β) 两相区有较大变形量的β锻造的材料, 采用700 ℃/8 h/AC的直接时效工艺是不可取的。固溶 (β区) +时效的蠕变性能非常优良。随时效温度升高, 蠕变性能明显地提高, 蠕变后的室温拉伸强度变化规律不明显, 而塑性稍微有所降低; 随时效时间延长, 蠕变性能也提高, 而蠕变后的室温拉伸强度、塑性均降低。蠕变性能的提高可能与α2相和硅化物相的体积分数增加有关。

表1时效对TMC-2棒材室温拉伸性能的影响下载原图

Table 1Effect of aging on room temperature tensile properties of TMC-2 bars