简介概要

固溶温度对TB10钛合金力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2010年第1期

论文作者：魏衍广陶海明陈海珊

关键词：TB10钛合金; 固溶温度; 力学性能; 显微组织; TB10 titanium alloy; solution temperature; mechanical property; microstructure;

摘要：研究了固溶温度对TB10(Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al)钛合金在热处理过程中力学性能变化规律.结果表明:当TB10钛合金在740~840℃之间固溶,并在520℃时效时,在相变点以下固溶,随着同溶温度的升高,材料的强度降低、塑性升高,但在800℃时网状晶界α相恶化了材料的塑性,在相变点以上固溶时,材料的强度和塑性随着固溶温度的升高而下降;时效后的TB10钛合金随着固溶温度升高,材料的强度升高、塑性下降;当固溶温度为740℃时,时效态的材料强度和塑性比固溶态略有升高,固溶温度越高,时效强化效果越显著,时效态材料的塑性比固溶态的低,但在800℃时由于晶界α相的网状被破坏使时效态材料的塑性比固溶态的高.

稀有金属 2010,34(01),6-10

固溶温度对TB10钛合金力学性能的影响

北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所

摘要：

研究了固溶温度对TB10 (Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al) 钛合金在热处理过程中力学性能变化规律。结果表明:当TB10钛合金在740～840℃之间固溶, 并在520℃时效时, 在相变点以下固溶, 随着固溶温度的升高, 材料的强度降低、塑性升高, 但在800℃时网状晶界α相恶化了材料的塑性, 在相变点以上固溶时, 材料的强度和塑性随着固溶温度的升高而下降;时效后的TB10钛合金随着固溶温度升高, 材料的强度升高、塑性下降;当固溶温度为740℃时, 时效态的材料强度和塑性比固溶态略有升高, 固溶温度越高, 时效强化效果越显著, 时效态材料的塑性比固溶态的低, 但在800℃时由于晶界α相的网状被破坏使时效态材料的塑性比固溶态的高。

关键词：

TB10钛合金;固溶温度;力学性能;显微组织;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2009-06-10

基金：中国博士后科学基金 (20080440334) 资助项目;

Effect of Solid Solution Temperature on Mechanical Property of TB10 Titanium Alloy

Abstract：

The effect of solution temperature of TB10 (Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al) titanium alloy on the mechanical properties changes during heat treatment process was studied. The results showed that the increase of solution temperature less than transformation temperature led to increasing strength and reducing plasticity when the solution temperature range of TB10 titanium alloy was 740⁸40 ℃, however, reticulated intercrystalline α phase depressed plasticity of the alloy when the solution temperature was 800 ℃. When solution temperature was greater than transformation temperature, the strength and plasticity of the alloy decreased with the increase of temperature. With solid solution temperature increasing, the strength increased and the plasticity decreased when the alloy aged at 520 ℃. The strength and plasticity of as-aged alloy were slightly higher than that of as-solid-solution material when the solid solution temperature was 740 ℃. The higher the solid solution temperature, the more significant the phenomenon of aging strengthening. By this time, the plasticity of as-aged alloy was lower than that of as-solid-solution material. However, the plasticity of TB10 titanium alloy increased because reticulated intercrystalline α phase was damaged after aging when solution temperature was 800 ℃.

Keyword：

TB10 titanium alloy; solution temperature; mechanical property; microstructure;

Received： 2009-06-10

TB10钛合金是拥有自主知识产权的近β高强高韧钛合金, 名义成分为Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al, K_β=1.10, Mo当量为13.76^[1]。该合金中β稳定元素总含量在临界浓度附近, 使得合金兼有α+β和亚稳定β型钛合金的性能特征。张翥等^[2]对TB10钛合金锻棒和圆柱加锥形空心盲孔锻件进行了研究, 结果表明该合金锻件具有强度高、断裂韧性好的优点。毛柏平等^[3]研究了TB10钛合金热变形流变行为, 计算了变形激活能及相应的应力指数, 并建立了该合金高温下的应力-应变关系方程。尤振平等^[4]对TB10钛合金的动态力学性能进行了研究, 并对该合金的绝热剪切现象进行了分析。总之, 由于具有比强度高、断裂韧度好、热加工工艺性能优异的特点, TB10钛合金的研究越来越深入。本文研究了固溶温度对TB10钛合金在固溶与时效过程中力学性能变化的规律, 为制定合理的热处理制度打下坚实的基础。

1 实验

实验所用的原料选用高品位海绵钛、MoAl, VAl等中间合金, 压制电极后, 通过3次熔炼成尺寸为Υ380 mm铸锭, 成分如表1所示, 在1000~1100℃之间开坯锻造成Υ170 mm棒材, 然后在900~1000℃之间轧制成Υ63 mm棒材, 热处理实验在天津市中环实验电炉有限公司生产的SX₂-10-12箱式电阻炉中进行。TB10钛合金棒材的固溶温度为:740, 760, 780, 800, 820和840℃, 保温时间为30 min, 在空气下冷却, 时效温度为520℃, 保温时间为8 h, 在空气下冷却。显微组织的观察在CAMBRIDGE-2型扫描电镜上进行, 力学性能的测试在AG-50KNE试验机上进行 (GB/T228-2002) , Al, Cr, V, Mo元素测定采用电感耦合等离子体发射光谱仪 (ICP-AES) , Fe元素测定采用光度法 (GB/T4698-96) , C元素测定采用高频燃烧-红外法 (ASTME1941-2004) , H元素测定采用惰气脉冲红外法 (ASTME1447-2005) , O和N元素测定采用惰气脉冲红外热导法 (ASTME1409-2005) 。

2 结果与讨论

2.1 固溶温度对TB10钛合金热处理后力学性能的影响

TB10钛合金棒材在740, 760, 780, 800, 820和840℃保温30 min后空气中冷却, 然后在520℃保温8 h后空气中冷却, 力学性能如图1所示。其中, 图1 (a) 为TB10钛合金固溶态及时效态的抗拉强度与屈服强度随着固溶温度升高的变化, 图1 (b) 为TB10钛合金固溶态及时效态的断后延伸率随着固溶温度升高的变化, 图1 (c) 为TB10钛合金固溶态及时效态的断面收缩率随着固溶温度升高的变化。对该炉次的TB10钛合金采用淬火金相法, 测得该材料的相变点为810℃。

由图1 (a) 可知, 随着固溶温度升高, 固溶态的TB10钛合金抗拉强度和屈服强度下降, 但是下降速率不同:抗拉强度在740~800℃之间的下降速率较大, 在800~840℃之间的下降速率较小;屈服强度在800~820℃之间下降速率迅速增大, 在820℃以上的下降速率变小。抗拉强度与屈服强度的差值 (σ_b-σ_0.2) 随着固溶温度的升高而增大, 在820℃时差值迅速扩大到195 MPa, 出现低屈服应力现象。时效态的TB10钛合金的抗拉强度和屈服强度随着固溶温度升高而上升。

图1 不同固溶温度下TB10钛合金热处理后的拉伸性能Fig.1 Tensile properties of TB10 titanium after heat treatment at different solution temperature

(a) Tensile strength and yield strength; (b) Percentage elongation; (c) Percentage reduction of area

由图1 (b) 可知, 随着固溶温度升高, 固溶态的TB10钛合金延伸率升高, 但到了800℃时迅速下降, 在820℃时升高, 到840℃时又下降。固溶态的TB10钛合金断面收缩率随着固溶温度升高的变化情况与延伸率的类似, 如图1 (c) 所示, 随着温度升高, 断面收缩率升高, 到了780℃时略微下降, 但在800℃时迅速下降, 在820℃时升高, 到840℃时又下降。时效态的TB10钛合金断后延伸率与断面收缩率随着固溶温度升高而降低。

图2所示为TB10钛合金在740及800℃保温30 mim空冷后的SEM, 比较图2 (a) 和 (b) 可知, 随着固溶温度的升高, β相晶粒内部的α相数量减少, 抗拉强度和屈服强度在740~800℃之间下降。在820℃保温时, TB10钛合金重新形核并长大^[5], 固溶温度越高, β相晶粒尺寸越大, 晶内α相数量越少, 抗拉强度和屈服强度越低。但是, β相晶粒及其内部的α相对TB10钛合金强度的影响远不如次生α相对材料的影响剧烈, 因此, 在820℃以上保温时, 抗拉强度和屈服强度的下降速率小, 而在740~800℃之间下降速率大。抗拉强度与屈服强度的差值 (σ_b-σ_0.2) 在820℃时迅速增大的原因是TB10钛合金在相变点以上空冷后, 材料受力时β相晶粒会发生马氏体转变, 即应力诱发马氏体转变^[6]。断后延伸率和断面收缩率都表征TB10钛合金的塑性^[7], 二者随着固溶温度升高的变化趋势是一致的。在相变点以下保温, 对固溶态TB10钛合金塑性的影响因素有两个: (1) β相晶粒内的α相, α相为密排六方结构, 滑移系较少, 不容易塑性变形^[8]; (2) 晶界α相, 晶界α相的形貌对材料的塑性有重大影响, 连续的晶界严重损害材料的塑性^[9]。由图2可知, 随着固溶温度的升高, 晶内α相数量减少, 晶界α相由不连续转变成连续状态, 至800℃时互相连接成网状。因此, 晶内α相和晶界α相对TB10钛合金塑性的影响是矛盾的:固溶温度升高, 晶内α相减少, 塑性升高, 而晶界α相由于网状化趋势却使塑性降低。温度较低时, 晶内α相对塑性的影响比晶界α相的大, 温度越高, 晶界α相网状化趋势越强, 对塑性的影响越剧烈。因此, 随着固溶温度升高, 材料的塑性升高, 但到800℃时, 网状晶界α相把β相晶粒分割开来, 材料的塑性降低最大。在相变点以上保温, TB10钛合金重新形核并长大, 网状晶界α相消失, 塑性升高, 此时对材料塑性影响的主要因素是β相晶粒尺寸, 温度越高, β相晶粒越大, 塑性降低。

图3所示为TB10钛合金在740及800℃保温30 mim空冷, 然后在520℃保温8 h时空冷的SEM。如图3 (a) 所示, 长条状的次生α相弥散地分布在β相晶粒内部, 图3 (b) 表明分布在β相晶粒内的次生α相更加细小、数量更多, 比较二者可知, 随着固溶温度的升高, 时效时次生α相尺寸减小、数量增多, 材料的抗拉强度和屈服强度升高, 而塑性降低。

图2 不同固溶温度下TB10钛合金固溶态的SEM照片Fig.2 SEM photograph of TB10 titanium in the solution condition at different temperature

(a) 740℃; (b) 800℃

图3 不同固溶温度下TB10钛合金时效态的SEM照片Fig.3 SEM photograph of TB10 titanium in the aging condition at different solution temperature

(a) 740℃; (b) 800℃

2.2 固溶温度对TB10钛合金固溶及时效过程中力学性能变化的影响

由图1 (a) 可知, 当固溶温度较低时, 时效态与固溶态TB10钛合金的抗拉强度与屈服强度比较接近, 然而, 随着固溶温度的升高, 两种状态材料的抗拉强度和屈服强度的差值越大。图3所示为不同固溶温度下TB10钛合金时效态的显微组织, 与图2比较, 当固溶温度都为740℃时, 两种状态的显微组织差别不大, 而当固溶温度都为800℃时, 两种状态的显微组织差别较大:固溶态的TB10钛合金晶内α相较少, 晶界α相为连续网状, 而时效后的次生α相显著增多, 晶界α相厚度增大, 为不连续状态。对TB10钛合金抗拉强度与屈服强度起主要作用的是晶内α相:当固溶温度较低时, β相晶粒内的次生α相较多, 在时效时次生α相的析出量有限, 因此, 时效态的材料强度比固溶态的略微升高;而当固溶温度较高时, β相晶粒内的次生α相较少, 在时效时有大量次生α相析出, 因此, 时效态的材料强度远大于固溶态的, 而且, 固溶温度越高, 时效态材料的次生α相析出越弥散, 强化现象越显著。

由图1 (b) 及 (c) 可知, 当固溶温度较低时, 时效态TB10钛合金的塑性高于固溶态的, 随着固溶温度的升高, 时效态的材料塑性逐渐低于固溶态的, 然而在800℃时时效态的材料塑性又比固溶态的高, 在相变点以上固溶并时效后, 时效态的材料塑性比固溶态的低。TB10钛合金在热处理过程中的塑性变化是由显微组织的变化决定的:当固溶温度较低时, 比较图2 (a) 及图3 (a) 可知, 时效态TB10钛合金的晶内α相变化不大, 但晶界α相由于次生α相的析出分支增多, 不连续现象更加显著, 因此在塑性变形时, 较多分支的晶界α相更容分割运动中的位错, 促使位错滑移更远的距离, 提高了材料的宏观塑性^[10];当固溶温度升高时, 时效态TB10钛合金的晶内α相比固溶态增多, 较多的次生α相不利于材料的塑性变形, 因此时效态的材料塑性比固溶态的低;然而, 当固溶温度为800℃时, 比较图2 (b) 及图3 (b) 可知, 时效态TB10钛合金的晶界α相由于次生α相的析出使得固溶态晶界α相的网状被破坏, 晶界呈现不连续状态, 提高了材料的塑性;在相变点以上固溶时, 时效态TB10钛合金的细小弥散次生α相降低了材料的塑性。

3 结论

1.TB10钛合金随着固溶温度的升高, 晶内α相量减少, 材料的抗拉强度和屈服强度降低, 在相变点以上保温时过冷的β相晶粒出现应力诱发马氏体现象。随着固溶温度的升高, TB10钛合金晶内α相量减少, 塑性升高, 但在800℃保温时网状晶界α相恶化了材料的塑性, 在相变点以上固溶, 温度越高, β相晶粒尺寸越大, 初生α相越少, 材料的塑性下降。

2.TB10钛合金随着固溶温度的升高, 晶内α相量减少, 而在时效后, 晶内α相增多, 使得材料的抗拉强度和屈服强度升高、延伸率和断面收缩率降低。

3.当固溶温度较低时, TB10钛合金晶内α相较多, 在时效时次生α相的析出量有限, 时效态的材料强度比固溶态的略微升高;当固溶温度较高时, 晶内α相减少, 在时效时析出的次生α相增多, 时效态的材料强度远大于固溶态的, 而且, 固溶温度越高, 时效时次生α相析出越弥散, 强化现象越显著。

4.当固溶温度较低时, 时效态TB10钛合金由于次生α相的析出使得晶界α相分支增多, 提高了材料的宏观塑性;当固溶温度升高时, 时效态材料的晶内α相比固溶态增多, 降低了材料的塑性, 但是, 当固溶温度为800℃时, 时效后晶界α相的网状被破坏, 反而提高了材料的塑性。