简介概要

高温形变热处理制备Ti-6Al-6V-2Sn合金棒材的组织及性能

来源期刊：稀有金属2018年第11期

论文作者：朱宝辉曾卫东陈林胡晓晨

文章页码：1143 - 1148

关键词：高温形变热处理;Ti-6Al-6V-2Sn;棒材;显微组织;力学性能;

摘要：对锻造态的Ti-6Al-6V-2Sn两相钛合金棒材进行了高温形变热处理实验,处理工艺包括880℃/1. 5 h加热+50%热变形后快速水冷和3种温度下的时效热处理。采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和电子万能试验机对不同温度时效热处理的显微组织、相成分、拉伸性能和断口形貌进行了分析。结果表明:Ti-6Al-6V-2Sn钛合金高温形变热处理后的组织为初生αp相、析出的次生αs相和残余β相;随着时效温度的升高,α相中的α稳定性元素Al含量差异不大且比较稳定,而β相中的β稳定性元素含量则随之逐渐增高,尤其是V元素的含量增加比较明显;与此同时,析出的次生α相逐渐粗化,合金的强化效果也逐渐降低。不同温度时效处理后的拉伸断口均为典型的杯状断口,缩颈现象明显。热变形量为50%的合金在580℃/4 h时效后的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到1209,1143 MPa和15. 5%,获得了最佳的强塑性匹配。

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网络首发时间: 2018-04-09 11:14

稀有金属 2018,42(11),1143-1148 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17090024

高温形变热处理制备Ti-6Al-6V-2Sn合金棒材的组织及性能

朱宝辉曾卫东陈林胡晓晨

宁夏东方钽业股份有限公司

西北工业大学材料学院

摘要：

对锻造态的Ti-6Al-6V-2Sn两相钛合金棒材进行了高温形变热处理实验, 处理工艺包括880℃/1. 5 h加热+50%热变形后快速水冷和3种温度下的时效热处理。采用光学显微镜 (OM) 、扫描电子显微镜 (SEM) 、能谱仪 (EDS) 和电子万能试验机对不同温度时效热处理的显微组织、相成分、拉伸性能和断口形貌进行了分析。结果表明:Ti-6Al-6V-2Sn钛合金高温形变热处理后的组织为初生αp相、析出的次生αs相和残余β相;随着时效温度的升高, α相中的α稳定性元素Al含量差异不大且比较稳定, 而β相中的β稳定性元素含量则随之逐渐增高, 尤其是V元素的含量增加比较明显;与此同时, 析出的次生α相逐渐粗化, 合金的强化效果也逐渐降低。不同温度时效处理后的拉伸断口均为典型的杯状断口, 缩颈现象明显。热变形量为50%的合金在580℃/4 h时效后的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到1209, 1143 MPa和15. 5%, 获得了最佳的强塑性匹配。

关键词：

高温形变热处理;Ti-6Al-6V-2Sn;棒材;显微组织;力学性能;

中图分类号： TG146.23;TG156

作者简介：朱宝辉 (1977-) , 男, 陕西武功人, 硕士, 高级工程师, 研究方向:钛合金材料加工;E-mail:zbhwel@163.com;;*曾卫东, 教授;电话:029-88494298;E-mail:zengwd@nwpu.edu.cn;

收稿日期：2017-09-16

基金：宁夏自然科学基金项目 (NZ14264) 资助;

Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-6V-2Sn Alloy Bars Processed by High Temperature Thermomechanical Treatment

Zhu Baohui Zeng Weidong Chen Lin Hu Xiaochen

Titanium Product Plant, Ningxia Orient Tantalum Industry Co., Ltd.

School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University

Abstract：

The forged bars of Ti-6 Al-6 V-2 Sn dual phase titanium alloy were processed by high temperature thermomechanical treatment ( HTTT) . The treatment process including 880 ℃/1. 5 h heating, fast cooling after 50% hot deformation and aging treatment at three temperatures. The microstructure, phase composition, tensile properties and fracture morphology of the alloys with different temperature aging treatment were analyzed by optical microscope ( OM) , scanning electron microscope ( SEM) , energy disperse spectroscopy ( EDS) and electron universal testing machine. The results showed that the microstructure of the alloys after HTTT was primary αp phase, the secondary αsphase and residual β phase. With the increase of the aging temperature, the difference in Al content of α stability element was not that big and stable in α phase, but the content of β stability element in β phase increased gradually, especially the increase of V content was obvious. Meanwhile, the secondary α phase was gradually roughened, and the strengthening effect was gradually reduced. The tensile fracture of different temperature aging treatment was the typical cup fracture and the necking was obvious. After 50% hot deformation and aging at 580 ℃/4 h, the tensile strength, yield strength and elongation of the alloys reached 1209 MPa, 1143 MPa and 15. 5% respectively, which achieved optimal match of plasticity and strength.

Keyword：

high temperature thermomechanical treatment; Ti-6Al-6V-2Sn; bar; microstructure; mechanical properties;

Received： 2017-09-16

Ti-6Al-6V-2Sn合金是一种富β稳定元素的α+β钛合金, 名义成分为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu, 与Ti-6Al-4V合金相比, Ti-6Al-6V-2Sn合金增加的β相稳定元素极大地改善了其热处理特性, 常温及高温性能均有明显的改进, 其退火态强度超过了Ti-6Al-4V退火态的强度, 同时也可进行固溶时效热处理达到更高的强度。由于其优异的力学性能、耐热性能 (可在400℃以下长期使用) 、较好的抗氧化和耐蚀性, 优于其他合金的焊接性能等特点, 因此被广泛应用于飞机机身、火箭发动机、核反应堆部件以及石油勘探设备等部件 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。

形变热处理是一种提高合金强塑性的有效方法, 关于钛合金的形变热处理研究也较多 ^{[7,8,9,10,11,12]} , 其中高温形变热处理在α+β两相钛合金也有应用的典型实例 ^[12] 。为了进一步提高Ti-6Al-6V-2Sn合金棒材的强塑性, 本文作者对此进行了必要的探索, 以便为该合金的推广应用提供一定的参考。

1实验

实验以一级海绵钛 (粒度为0.83~12.7 mm) 、37%Al-Sn、55%Al-V、铜屑、铝豆、铁钉为原料, 采用3t真空自耗电弧炉经过3次熔炼制备铸锭, 其化学成分 (质量分数) 为:5.68%Al, 5.58%V, 1.96%Sn, 0.72%Cu, 0.67%Fe, 0.161%O, 0.008%C, 0.009%N和0.0010%H, 其余为Ti。铸锭规格为Φ600 mm锭型, 采用连续升温金相法测定其相变点为 (935±5) ℃ ^[13] 。

铸锭在相变点以上β相区进行开坯锻造, 经过反复镦拔, 变形量达到80%左右开始进行 (α+β) 两相区锻造。经过多火次反复镦拔后, 在880℃加热1.5 h, 经变形50%锻造至Φ90 mm后快速水冷进行固溶处理, 然后分别选用540, 580和620℃进行时效热处理 (保温4 h+AC) ^[4,14,15] 。锻造设备采用16 MN快速液压锻造机和SXP-13径向锻造机。加热设备为3级精度的箱式电阻炉, 时效热处理设备为2级精度的箱式电阻炉。

采用Olympus GX51金相显微镜 (OM) 和ZEISS Supra 55扫描电子显微镜 (SEM) 观察显微组织, 并对形变热处理后的合金断口形貌进行观察和分析。借助Aztec X-MAXN能谱仪 (EDS) 对时效后不同的相进行能谱分析, 使用INSTRON 5582电子万能试验机测试合金的室温拉伸性能。

2结果与讨论

2.1形变和固溶处理后的显微组织和拉伸性能

图1所示为合金棒材经过880℃加热、50%热变形后快速水冷后的显微组织。由于该合金富含β相稳定元素, 水淬后的主要组织通常是初生α_p相、马氏体α'相以及亚稳态β相 ^[1] 。但由于经过热变形后终锻温度有所降低, 水淬的效果有所下降, 所以高温形变后水淬的显微组织与普通退火的显微组织相似, α和β相界比较清楚, 初生α_p相的含量较多, 并有少量的次生α析出。同时, 由于该合金棒材在热变形后进行快速水冷, 根据XRD分析结果 (图2) 可以判断存在马氏体α″相。所以, 该合金高温形变后固溶的显微组织是初生α_p相、马氏体α″相及亚稳态β相。另外, 其初生α_p相特别细小, 基本都在10μm以下, 和普通的变形+热处理工艺 ^[5] 相比, 具有一定的晶粒细化作用。

表1所列为合金棒材热变形后经固溶处理的拉伸性能, 其强度均超过1100 MPa, 同时塑性也比较高, 而且强度和延伸率差别较小, 性能比较均匀, 但断面收缩率相差比较明显。

图1 Ti-6Al-6V-2Sn棒材热变形后固溶处理的显微组织Fig.1 OM images of microstructure of alloy bars by solution treatment

图2 Ti-6Al-6V-2Sn棒材热变形后固溶处理的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of alloy bars by solution treatment

表1 Ti-6Al-6V-2Sn棒材固溶态的拉伸性能Table 1 Tensile properties of bars by solution treatment 下载原图

表1 Ti-6Al-6V-2Sn棒材固溶态的拉伸性能Table 1 Tensile properties of bars by solution treatment

2.2时效温度对显微组织的影响

图3是Ti-6Al-6V-2Sn合金棒材形变、水淬后经不同温度时效热处理后的显微组织照片, 从光学组织对比来看均为α+β两相组织, 差异不太明显。但与普通固溶时效的组织相比, 初生α_p相有一定程度的拉长和扭曲变形, 而普通固溶时效组织中的初生α_p相球化效果较好, 基本呈等轴状 ^[5] 。这是因为高温形变热处理是在880℃加热变形50%后快速水冷的过程, 原组织经过热变形使得初生α_p相随着金属流动变形拉长和扭曲, 又随着快速水冷而使其形状得以保持, 在之后的时效过程中因温度较低基本没有变化。所以, 高温形变热处理的初生α_p相没有普通固溶时效组织中的初生α_p相球化效果好。

图4是Ti-6Al-6V-2Sn合金棒材经不同时效温度热处理后的SEM照片。从图4中可以看出经过时效处理的组织中, 在β相上明显出现了析出细小弥散的点状α相 (图4 (a, b) ) , 而且随着时效温度的升高, 析出α相的数目增多并粗化, 弥散度变小 (图4 (c) ) 。时效时产生的强化作用是由于水淬时形成的亚稳定相继续分解造成的。其中, 亚稳态β相分解时其强化效果最大。时效过程中, 在β相内析出足够的弥散α相, 并随着时效温度降低, 析出的α相更细小、弥散, 从而获得更好的强化效果。

采用SEM和EDS对形变热处理的棒材取样进行显微观察和微区分析, 合金形变热处理后的不同相的能谱分析的具体成分见表2。从表2中可以看出, 随着时效温度的升高, α相中的α稳定性元素Al含量差异不大, 比较稳定, 中性元素Sn含量也比较稳定, V含量略有波动;而β相中的β稳定性元素含量随着时效温度升高而逐渐增高, 尤其是V元素的含量增加比较明显, 说明β相随着时效温度的升高而逐渐进行富集。当时效温度比较高时, 比如时效温度为620℃时, β相已经达到比较充分的富集程度, 这种状态已经不容易再发生分解, 完全达到了稳定状态 ^[1] 。也就是说, 随着时效温度的提高, 时效过程进行更加充分, 亚稳定相分解基本完成, 各相的状态也更加稳定, 即由固溶处理的亚稳态组织已转变为稳定状态的组织。

图3 不同时效温度的显微组织Fig.3 OM images of microstructure of bars aged at different temperatures

(a) 540℃; (b) 580℃; (c) 620℃

图4 Ti-6Al-6V-2Sn合金不同时效温度热处理的SEM像Fig.4 SEM images of alloy bars at different aging temperatures

(a) 540℃; (b) 580℃; (c) 620℃

表2 不同时效工艺处理的相成分Table 2 Phase composition of different aging process (%, mass fraction) 下载原图

表2 不同时效工艺处理的相成分Table 2 Phase composition of different aging process (%, mass fraction)

2.3时效温度对拉伸性能的影响

合金在880℃高温变形50%后固溶处理及不同时效温度热处理后的力学性能如图5所示。虽然固溶态的强塑性匹配较好, 但不是稳定状态, 而且强度水平还不够好, 经过时效处理后强度明显提高, 而且塑性也有不同程度的改善。从图5中可以看出, 时效温度较低时, 强化作用较大, 但塑性下降, 时效温度较高时, 塑性得到较好的提高, 强度却明显下降, 尤其是屈服强度下降非常明显。当时效温度为580℃时, 抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率分别达到1209, 1143MPa, 15.5%和49.0%, 强度和塑性获得了最佳的匹配。

2.4合金高温形变热处理后的断口形貌

合金棒材高温形变热处理的拉伸断口形貌如图6所示。拉伸断口为典型的杯状断口, 说明缩颈现象比较明显, 断面收缩率挺高, 为韧性断裂, 剪切唇区受明显的剪切应力, 中心区为典型的单轴拉伸产生的正应力拉断。

图5 固溶态及时效态的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of Ti-6Al-6V-2Sn alloy bars of as-so-lution treated and aged at different temperatures

图6 形变热处理的拉伸断口形貌Fig.6SEM fractography of Ti-6Al-6V-2Sn alloy bars pro-cessed by HTTT

(a) Overall fracture; (b) 540℃/4 h, AC; (c) 580℃/4 h, AC; (d) 620℃/4 h, AC

图6 (b~d) 是不同温度时效后的拉伸断口的中心区微观形貌。从图6中对比来看, 由于材料塑性较好, 不同温度时效的合金拉伸断口形貌差异不明显。均为等轴韧窝型延性断裂, 在这些细小的等轴韧窝区, 存在少量的较大的韧窝, 而且这些大韧窝又包含着若干小韧窝, 韧窝内无明显的成核质点, 个别韧窝区还存在着微小空洞。韧窝的大小和深度取决于材料断裂时微孔生核的数量和材料塑性变形的能力, 材料的塑性较好, 韧窝的尺寸往往较大而且较深 ^[16] 。所以, 韧窝的深度是基材可成形性和断裂韧度的一种量度 ^[17] , 从韧窝形貌可以看出该材料时效态的塑性和韧性都是比较好的。