稀有金属 2004,(01),50-53 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.013

固溶温度与轧制温度对Ti₃Al基合金的组织与性能的影响

黄旭 曹京霞

北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院 北京100095 ,北京100095 ,北京100095

摘 要：

研究了轧制温度对一种Ti3Al基合金轧棒的拉伸、蠕变、持久和金相组织的影响以及固溶温度对该合金室温拉伸性能、金相组的影响。结果表明 :在两相区轧制时 , 低温轧制的室温综合性能较好 , 但是高温轧制的 65 0℃的综合性能较好 ;随着固溶温度的升高 , 该合金的强度升高 , 塑性呈现下降的趋势

关键词：

Ti3Al基合金;拉伸性能;蠕变性能;塑性;α2相;固溶温度;

中图分类号： TG335

收稿日期：2003-09-20

Influence of Rolling and Solution Temperature on Properties and Microstructure of Ti₃Al Based Aalloy

Abstract：

The influence of different rolling and solution temperature on tensile and creep rupture properties and the microstructure of Ti 24Al 15Nb 1Mo Si alloy were studied in detail. The results show that the tensile properties at room temperature of the bars rolled at low temperature are better than that of the bars rolled at high temperature, while the high temperature rolled bars have the higher tensile strength and creep properties at 650 ℃. The tensile strength at room temperature increases with the solution temperature increase from 950 to 1050 ℃, and then the tensile strength decreases with the solution temperature rise further. The tensile ductility presents downtrend with the solution temperature rising.

Keyword：

Ti 3Al based alloy; tensile property; creep property; ductility; α 2 phase; solution temperature;

Received： 2003-09-20

钛及钛合金因具有良好的综合性能而在先进航空发动机中得到大量的应用, 如美国第四代战斗机F22的F119发动机上的钛用量高达39% ^[1,2] 。 发展高性能的航空发动机要求钛合金具有优良的高温力学性能。 Ti₃Al基合金具有优异的高温强度、 蠕变抗力、 弹性模量和较低的密度, 受到材料科学工作者的重视。 一些典型的Ti₃Al基合金零件已成功地通过了飞机发动机试车。 研究表明 ^[3,4,5] , Ti₃Al基合金显示了优良的蠕变抗力, 稳态蠕变速率比普通的钛合金低1～2个数量级。 本文探讨了轧制温度对轧棒的金相组织的影响, 以及分别对室温和高温的拉伸性能的影响, 轧制温度对棒材的蠕变和持久性能的影响; 探讨了不同的固溶温度对该合金组织及室温拉伸性能的影响。 通过这些研究, 可对具体的生产有一定的指导意义。

1 试验材料及方法

试验用Ti₃Al基合金铸锭采用真空自耗炉和真空铸造凝壳炉熔练工艺熔炼, 铸锭的名义成分为Ti-24Al-15Nb-1Mo-Si (at%) 。 铸锭在β区开坯锻造, 分别在α₂+B₂两相区轧制成Φ 20 mm棒材, 轧制温度分别为1020, 1070 ℃。 热处理在箱式电阻炉内进行, 棒材经固溶和时效处理, 固溶处理的温度分别为950, 980, 1000, 1050, 1150 ℃, 时效处理温度在α₂+B₂+O三相区。 经热处理后的试样在Instron-4507拉力试验机上测试了室温和高温拉伸性能, 1000 ℃固溶处理的试样还测试了持久和蠕变性能。 试样的微观组织和拉伸断口用NEOPHOT-21型金相显微镜和JSM-5600V型扫描电镜观察。

2 试验结果与分析

2.1 轧制温度与固溶温度对微观组织的影响

图1给出了固溶温度对合金显微组织的影响, 从图1可以看出, 随着固溶温度的升高, 析出的等轴初生α₂相越来越少, 根据相图平衡定律可以证明: 固溶温度越高, β相体积分数越高, 在随后的冷却和时效过程中析出片状α₂相或O相的比例越高。 而在相变点以上的固溶处理 (1150 ℃) 则全部为β转变组织, 晶界为连续的α₂相 (图1 (d) ) 。

2.2 轧制温度对力学性能的影响

轧制温度对Ti-24Al-15Nb-1Mo-Si合金轧棒的力学性能影响显著, 表1和2给出了1020 , 1070 ℃轧制棒材经1000 ℃固溶处理和α₂+B₂+O三相区时效处理后的拉伸、 持久和蠕变性能。

从表1中可以看出, 低温轧制的轧棒的室温抗拉强度和屈服强度明显高于高温轧制的轧棒, 低温轧棒的室温拉伸塑性好于高温轧棒, 而低温轧棒高温抗拉强度和屈服强度却低于高温轧棒。 从表2可以看出, 高温轧棒的蠕变和持久性能明显优于低温轧棒。 从上述结果可看出提高轧制温度有利于高温性能。

图1 轧制温度与固溶温度对微观组织的影响

Fig.1 Effect of solution temperatures and rolled temperatures on microstructure

(a) 1020 ℃轧/1000 ℃固溶; (b) 1070 ℃轧/1000 ℃固溶; (c) 1020 ℃轧/980 ℃固溶; (d) 1020 ℃轧/1150 ℃固溶

表1 不同温度轧制棒材的拉伸性能  下载原图

Table 1 Tensile properties of bars rolled at different temperature

表1 不同温度轧制棒材的拉伸性能

表2 轧棒的蠕变性能和持久性能  下载原图

Table 2 Creep and creep rupture properties of rolling bars

表2 轧棒的蠕变性能和持久性能

低温下轧制棒材的晶粒显著细化 (如图1 (a, b) ) , 根据霍尔-佩奇关系, 室温强度必然提高。 而提高轧制温度, 轧棒的高温性能提高与微观组织特征有关, 高温轧制棒材的等轴初生α₂相体积分数少, 而β转变组织体积分数高, 其中次生片状的α₂相或O相对裂纹扩展有良好的阻碍作用。 因此表现出高的瞬时强度和持久蠕变性能。 析出了更多的、 呈球状、 位错绕过α₂相颗粒, 从而提高了强度和塑性; 这可能是因为在高温拉伸过程中高温轧棒析出了α₂相颗粒, 从而使得强度提高; 而高温拉伸塑性却相差不大也是因为高温轧棒在高温拉伸过程中析出了α₂相颗粒的缘故。

2.3 固溶温度对轧棒室温拉伸性能的影响

对该合金的1020 ℃轧棒 (轧) 在不同的固溶温度下进行了固溶处理, 然后在α₂+B₂+O三相区进行时效。 其室温拉伸性能见图2。 从图2中可以看出, 随着固溶温度的升高, 抗拉强度与屈服强度都先上升后下降, 在相变点1050 ℃附近取得极大值。 而塑性变化规律恰好相反, 基本是随着固溶温度的升高, 延伸率和断面收缩率下降, 在1000 ℃附近又有一小的峰值。

图2 固溶温度对Ti-24Al-15Nb-1Mo-Si合金室温拉伸性能的影响

Fig.2 Effect of different solution temperatures on room tensile properties of Ti-24Al-15Nb-1Mo-Si alloy

低固溶温度下高塑性与β相的低有序化程度有关, 而1000 ℃附近的高塑性可能与适当体积分数的片状O相的析出有关 ^[6] 。 固溶温度进一步升高, 材料微观组织中等轴初生α₂相体积分数减少, 片状β转变组织增加, 增加了裂纹萌生的机会, 促使塑性降低。 片状β转变组织增加提高了抗裂纹扩展能力, 使强度提高, 但当固溶温度接近和超过相变点后, 连续的β晶界出现, 晶界α₂相成为裂纹快速扩展的通道, 产生脆性断裂, 强度降低。

2.4 微观断裂特征

室温拉伸断口源区形貌特征如图3所示。 在两相区低温轧棒的室温拉伸断口3 (a) 有一定的韧窝存在, 沿着β相有一定的撕裂棱存在, 说明有一定的塑性的准解理断裂; 而两相区高温轧棒的室温拉伸断口3 (b) 几乎没有韧窝存在, 解理刻面非常明显且很多, 所以是典型的解理脆性断裂。

室温拉伸的断口形貌如图4所示。 从图中可见, 该合金的轧棒分别经过1000和1150 ℃固溶处理后, 从低倍断口形貌来看, 1000 ℃固溶后, 裂纹源在边缘上, 断口上有纤维区存在, 而1150 ℃固溶处理后, 其整个断面是平整的, 说明是同时断裂的; 从高倍断口形貌来看, 1000 ℃固溶处理后, 断面有一定的韧窝存在, 沿着β相有一定的撕裂棱存在, 说明有一定的塑性的准解理断裂, 而1150 ℃固溶处理后, 断面既有解理刻面还有沿晶断裂的特征, 说明是完全的脆性断裂。

3 结 论

1. 随两相区轧制温度和热处理固溶温度的提高, 等轴初生α2相体积分数减少, β转变组织体积分数增加。

2. 低温轧制得到棒材的显微组织有明显细化, 有利于室温强化; 但低温轧制材料的高温性能显著低于高温轧制棒材。

3. 固溶温度提高使室温塑性降低, 而室温强度则随固溶温度从950 ℃提高到1050 ℃有提高的趋势, 这与片状β转变组织增加提高了抗裂纹扩展能力有关, 当固溶温度超过1050～1150 ℃时, 强度又降低, 与连续β晶界加速裂纹扩展有关。

图3 不同的轧制温度对Φ 20 mm棒材室温拉伸断口形貌的影响

Fig.3 Effect of different rolling temperatures on fractograph of Φ 20 mm bars

(a) 1020 ℃; (b) 1070 ℃

图4 固溶温度对轧棒室温拉伸断口形貌的影响

Fig.4 Effect of solution temperatures on fractograph of roll bar

(a) , (c) 1000 ℃; (b) , (d) 1150 ℃

参考文献

[1] 　SeagleSR .　Mater.Sci.Eng., 1996, A213:1.

[2] 　SeagleSR .　Mater.Sci.Eng., 1996, A213:103.

[3] 　ChoW , ThomponAW , WilliamsJC .　Metall.Trans., 1992, 21A :641.

[4] 　SunFS , CaoCX .　Proc.ofInternationalWorkshoponOrderedIn termetallics, eds.byLinTL , LiuCT .HangzhouChina, Sept.28, 1992.399.

[5] 　孙福生, 曹春晓.　国家高技术新材料领域93学术交流论文集先进材料展[C].北京, 1993.36.

[6] 　曹京霞, 李臻熙, 白　芳, 等.　固溶温度对Ti3Al基合金组织与性能的影响[J].材料工程, 2002, (增刊) :27.