稀有金属 2004,(02),362-364 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.02.018
微观组织对TA15钛合金力学性能的影响
方波 黄旭 李臻熙
北京航空材料研究院钛合金研究室,沈阳黎明航空发动机集团公司,北京航空材料研究院钛合金研究室,北京航空材料研究院钛合金研究室 北京100095 ,辽宁沈阳110043 ,北京100095 ,北京100095
摘 要：
比较了两个 (α + β) 两相区轧制的TA15钛合金环形件的显微组织和力学性能 , 分析了两个环形件的工艺控制特征及微观组织对力学性能的影响。结果表明 , 两相区轧制的TA15合金环形锻件获得了含有等轴初生α相和β转变组织基体的双态组织 , 等轴初生α相及β转变组织的体积分数和β转变组织中的次生α相的形貌对合金的力学性能有显著影响。等轴初生α相体积分数增加有利于塑性和冲击韧性性能提高 , 但降低了断裂韧性、持久和蠕变性能。β转变组织体积分数减少且次生α相的球化会显著降低合金抗裂纹扩展的能力 , 从而降低了高周疲劳性能。
关键词：
钛合金 ;微观组织 ;性能 ;
中图分类号： TG113
收稿日期： 2003-04-30
Effects of Microstructure on Properties of TA15 Titanium Alloy
Abstract：
The microstructures and the mechanical properties of two TA15 titanium alloy ring forgings rolled in (α+β) phase field were compared. The processing features and the effect of the microstructure on the mechanical properties were analyzed. The results show that the duplex microstructures with the equiaxed primary β phase on the transformed α phase matrix are obtained by (α+β) phase field rolling. The volume fraction of the equiaxed primary α phase and the transformed β phase, as well as the morphology of secondary α phase in the transformed β phase have great effects on the mechanical properties. The increase of the volume fraction of the primary equiaxed α phase improves the tensile ductile and impact properties, but decreases the fracture toughness, stress rupture and creep properties. The decrease of the volume fraction of the transformed β phases and the sphericized secondary α phases in the transformed β microstructure decrease the crack-propagation resistance and the high cycle fatigue property.
Keyword：
titanium alloy; microstructure; mechanical property;
Received： 2003-04-30
钛合金的微观组织是力学性能综合特征的反映, 也是钛合金半成品的质量控制要素
[1 ]
。 为获得良好的综合力学性能, 往往采用 (α+β) 两相区变形, 两相区变形量和变形温度决定了初生α相的形貌和体积分数, 变形和热处理后的冷却速度决定了微观组织中β转变组织的形态, 从而影响到力学性能
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ]
。
TA15钛合金是一种高Al当量的近α型钛合金, 相应的俄罗斯牌号为BT20
[3 ,5 ]
。 BT20钛合金在俄罗斯的飞机和发动机上得到大量应用, 该合金兼有α型和 (α+β) 型钛合金的优点, 具有良好的热稳定性, 长时间工作温度可达500 ℃。 其工艺塑性接近于α+β型钛合金, 具有较好的加工性能, 可以制成薄板、 厚板、 型材、 锻件和模锻件等。
TA15钛合金整体轧制环形件是该合金的重要结构件, 在航空发动机上有大量应用, 如机匣、 安装边等。 为了使锻件具有良好的塑性、 韧性、 强度、 疲劳等性能的匹配, 工厂研制该类锻件主要采用了 (α+β) 两相区轧制变形, 本文研究了两相区锻造并轧制的TA15钛合金环锻件的微观组织对力学性能的影响。
1 材料与方法
试验材料为工厂提供的TA15钛合金β相变点以下20~30 ℃轧制的两个环锻件, 锻件的成分 (%, 质量分数) 为Al 6.72, Mo 1.77, V 2.32, Zr 2.19, C 0.0053, Fe 0.08, Si 0.14, N 0.0019, H 0.0026, O 0.0927。 材料的相变点为980~990 ℃。 锻件1的退火温度为820 ℃, 锻件2的退火温度为800 ℃, 退火后均为空冷。 试验测试了拉伸、 持久、 冲击、 断裂韧性、 蠕变和疲劳性能, 并利用光学显微镜和JSM-5600LV扫描电镜对锻件的微观组织进行了观察分析。
2 结果与分析
2.1 微观组织
两个锻件的横向微观组织见图1。 为 (α+β) 两相区变形的典型组织, 由等轴 (球状) 初生α相和β转变组织组成。 两个锻件的退火温度远低于锻造温度, 几乎对等轴初生α相的含量没有影响, 锻造温度决定了两个锻件组织中的等轴初生α相的体积分数。 其中锻件1的微观组织中等轴初生α相的含量较低, 约为15%, 锻件2的微观组织中等轴初生α相含量较高, 达到65%。 由此说明锻件1的变形温度高于锻件2。 从β转变组织形态看, 锻件1的β转变组织为较宽的片状α相和片间的残留β相组成, 片状次生α相的宽度约为1~3 μm; 锻件2的β转变组织所占的体积分数少, 且次生α相近于球化, 说明锻件2在变形或热处理后的冷却速度较慢。
图1 两个锻件的微观组织 (a, c) 锻件 1; (b, d) 锻件 2 Fig.1 Microstructures of the two forgings
2.2 力学性能
2.2.1 拉伸性能
表1为两个锻件的室温和500 ℃拉伸性能 (4个数据的平均值) , 可以看到两个锻件的拉伸强度相当, 室温下锻件1的屈服强度高出锻件2约20 MPa, 而锻件2的塑性略高。
2.2.2 冲击性能和断裂韧性
表2给出了锻件的冲击和断裂韧性值 (3个数据的平均值) 。 锻件冲击性能的测试采用了U型缺口的冲击试样, 从试验结果看, 锻件2的冲击性能高于锻件1。 断裂韧性试验采用了B =25 mm, W =50 mm的紧凑拉伸试样, 由于锻件厚度有限, 紧凑拉伸试样的厚度不能满足平面应变的条件, 只能得到断裂韧度值, 但由表2也表示出锻件1抵抗裂纹扩展的能力强于锻件2。
2.2.3 持久和蠕变性能
两个锻件在500 ℃时的持久性能对比见图2, 相同应力水平下, 锻件1的持久性能高于锻件2, 如500 ℃/440 MPa条件下, 锻件1的持续时间达到174 h, 锻件2的持续时间仅为124 h (均为3个数据的平均值) 。 低应力时的蠕变性能同样有这样的规律, 在500 ℃/150 MPa/100 h蠕变条件下, 锻件1的残余变形为
表1 锻件的拉伸性能Table 1 Tensile properties of forgings
锻件
室温
500 ℃
σb /MPa
σ0.2 /MPa
δ5 /%
ψ/%
σb /MPa
σ0.2 /MPa
δ5 /%
ψ/%
1
957.8
917.3
17.4
53.1
650.6
515.3
23.7
71
2
947.3
898.3
18.6
48.3
654.7
533.3
27
71.3
表2 锻件的冲击和断裂韧度性能Table 2 Impact properties and KQ (C-L) properties
锻件
a KU / (J·cm-2 ) K Q / (MPa·m1/2 )
1
63.95
96.79
2
71.00
90.16
0.2505%, 锻件2的残余变形为0.2875% (均为两个数据的平均值) , 锻件1具有较高的蠕变抗力。
2.2.4 高周疲劳性能
试验测试了两个锻件室温下光滑试样的高周疲劳性能, 试验的应力比为0.1, 试验波形为正弦波, 试验频率为125 Hz。 相同试验条件下锻件的室温高周疲劳性能见图3, 锻件1的疲劳极限达690 MPa, 比锻件2高60 MPa。
3 试验结果分析
按照Brun等
[1 ]
对钛合金微观组织的分类方法, 本试验得到的TA15钛合金锻件的微观组织均
图2 锻件的持久性能 Fig.2 Stress rupture properties of the two forgings
图3 锻件的疲劳性能 Fig.3 Fatigue properties of the two forgings
属于球状组织, 其中也包括球状和片状混合的组织 (即通常所称的双态组织) , 而描述这类组织的主要参数有球形 (等轴) α相的颗粒尺寸, 次生α相片层厚度和不同形貌相的体积分数。 虽然本研究中有限的数据不足以做统计分析, 但一定程度上反映了组织特征与力学性能的对应关系。
一般地, 对于钛合金中等轴相和片层相混合的微观组织形态, 等轴α相体积分数的增加, 增强了抗裂纹萌生的能力, 有利于钛合金塑性和冲击性能的提高; 而片状相体积分数的增加, 提高了抵抗裂纹扩展的能力, 从而提高钛合金的断裂韧性。 因为裂纹在片状组织中的运动方向的改变比在球状组织中更频繁, 裂纹分叉形成了次生裂纹, 这些过程的结果使裂纹的总长度增加, 需要对更多的金属体积塑性变形作功, 因此等轴相和片状相混合组织中增加片状相的体积分数会引起断裂韧性的增加。
在本研究中, 锻件1的微观相组成中片状β转变组织体积分数相对于锻件2高, 抵抗裂纹萌生的能力相对较低, 但具有良好的抗裂纹扩展能力, 因此锻件1表现出相对高的强度和断裂韧性, 但塑性和冲击性能相对较低。
锻件2具有较高的等轴α相含量, 其抵抗疲劳裂纹萌生的能力较强, 但其β转变组织体积分数少, 且次生α相几乎球化, 抵抗裂纹扩展的能力大大降低, 因此其疲劳性能低于片状次生α相含量高的锻件1。 由此看出β转变组织的体积分数和形貌对钛合金的抗裂纹扩展能力有极大的影响。
锻件1较高的持久和蠕变性能与其较低的高温塑性和片状组织含量高、 抗裂纹扩展能力强有关。
4 结 论
通过对两相区轧制变形得到的TA15钛合金环形件的微观组织和力学性能分析, 得到如下结论: 环形件具有 (α+β) 两相区变形的典型组织, 即由等轴 (球状) 初生α相和β转变组织组成的双态组织, 其中初生等轴α相和β转变组织的含量以及β转变组织中次生α相的形貌对合金的力学性能产生较大影响。 等轴α相含量增加有利于塑性和冲击性能的提高, 但对断裂韧性、 持久和蠕变性能不利; β转变组织体积分数降低, 且次生α相的球化显著降低了合金抗裂纹扩展的能力, 从而降低了疲劳极限。
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