网络首发时间: 2015-05-06 13:26
稀有金属 2016,40(06),534-539 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.06.003
Ti-55531钛合金自由锻件亮带形成原因分析
颜孟奇 张业勤 李凯 沙爱学
北京航空材料研究院
北京科技大学材料科学与工程学院
摘 要：
近年来,Ti-55531钛合金在航空领域得到了广泛的应用。在低倍组织检查中,该钛合金某自由锻件横截面中心位置易观察到明显的亮带,严重影响锻件质量。本文利用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)及电子背散射衍射(EBSD)技术,对两相区锻造后的Ti-55531钛合金自由锻件亮带及正常区域的组织、化学成分和织构进行了系统的比较和分析。研究结果表明,在锻造过程中,由于锻件中心变形潜热释放高、散热差,<001>取向的β相大尺寸晶粒发生了持续长大,造成该区域的原始β晶粒尺寸明显大于其他区域,在低倍侵蚀后形成了亮带。该亮带并非由成分偏析引起,而是由β相的织构造成。β相的强烈织构可影响钛合金的力学性能,导致亮带位置的强度、弹性模量明显下降,但塑性有所提升。在锻造过程中,球状α相和片层状α相,均与β相遵循较为稳定的Burgers关系,但α相的球化越完全,α相与β相的Burgers关系偏离程度越高。
关键词：
Ti-55531钛合金;亮带;β相;织构;
中图分类号： TG319;TG146.23
作者简介：颜孟奇(1985-),男,山东曲阜人,博士,工程师;研究方向:钛合金、织构,E-mail:yanmengqi123@163.com,;沙爱学,研究员,电话:010-62496621,E-mail:label_liu@sina.com;
收稿日期：2015-03-31
基金：国防科工委科研项目(JPPT-K2008-11)资助;
Analysis of Bright Band Formation in Ti-55531 Titanium Alloy Forging
Yan Mengqi Zhang Yeqin Li Kai Sha Aixue
Beijing Institute of Aeronautical Materials
College of Material Science and Technology,University of Science and Technology Beijing
Abstract：
Ti-55531 titanium alloy has been widely used in aviation field in recent years. However,quite apparent bright band was observed in some cross-sectional areas of this titanium alloy open-die forging in macrostructure inspection,which seriously influenced the forging quality. The paper systematically compared and analyzed the microstructure,chemical composition and texture of bright band and normal areas in Ti-55531 titanium alloy forging after two-phase forging by scanning electron microscopy( SEM),energy dispersive spectroscopy( EDS) and electron back scatter diffraction( EBSD). The results showed that due to large amounts of deformative latent heat releasing and poor thermal dissipation during forging,continual growth of < 001 > oriented large sized β grains made the size of original β grains distinctly greater than other that of areas,forming bright band after erosion in macrostructure. Intense texturedβ phase would influence the mechanical properties of titanium alloy,which would further lead to strength and elastic modulus decreasing and plastic property increasing in bright band area. Both spherical and lamellar structured α phases followed stable Burgers relationship with β phase during forging. However,the results showed that the more spheroidization of α phase,the more deviation of Burgers relationship from β phase.
Keyword：
Ti-55531 alloy; bright band; β phase; texture;
Received： 2015-03-31
Ti-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)是一种高强高韧高淬透性近β型钛合金,具有比强度高、断裂韧性好、成形性能好等一系列优点,能够满足先进航空飞行器高结构效益、高可靠性的要求,已用于制造A380,A350空客飞机的起落架、吊挂接头等关键承力构件[1,2,3]。近β型钛合金在热加工或热处理后,其棒材或锻件低倍组织出现的亮斑、亮带,多是由于β稳定元素的微区偏析造成的,如TC17钛合金的Cr元素偏析[4,5],TB6钛合金的Fe元素偏析等[6]。研究发现,大型钛合金棒材、锻件局部区域易出现粗大的、取向相近的原始β晶粒,形成锋锐的β织构,造成性能恶化,这些异常区域在低倍组织检查时也表现为明显的亮斑、亮带。
本文对低倍组织检查中出现明显亮带的Ti-55531钛合金某自由锻件进行研究,利用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)及电子背散射衍射(EBSD)技术,系统地比较及分析亮带区、正常区的组织、化学成分和织构,研究亮带形成的原因,讨论其对锻件性能的影响。
1 实验
实验材料为两相区锻造后的Ti-55531钛合金某自由锻件。对其横截面进行低倍组织检查。在亮带区和正常区取试样进行室温拉伸力学性能测试。对亮带区及正常区进行金相组织、化学成分、织构测试。测试设备为配备EDS和HKL-EBSD系统的ZEISS SUPRA55型场发射扫描电镜。热压缩实验采用的是TC18钛合金,其相变点为855℃,试验温度860℃,应变速率1 s-1,设备为Gleeble 1500热模拟实验机。
2 结果与讨论
2.1 高低倍组织及成分分析
Ti-55531钛合金自由锻件横截面中心层出现了明显亮带,见图1。由SEM观察可知正常区为等轴组织,等轴α相尺寸较为均匀,见图2(a)。亮带区为网篮组织,片层α相交错排列,见图2(b)。通过能谱分析可知(表1),两区域的化学成分差异不大,主元素偏差都在0.1%以内,无明显的宏观成分偏析现象。
众所周知,网篮组织是钛合金在β相区加热或开始变形、在α+β相区变形量不够大时形成的;等轴组织是两相区加热、变形形成的。而在锻造过程中,由于锻件亮带区(对应中心)的变形量必然大于正常区(对应其他位置),在排除由成分偏析造成的可能性后,可初步认为该自由锻件中出现的中心亮带是由于锻造过程中变形潜热过高,产生相变而形成的。
图1 Ti-55531钛合金自由锻件的低倍组织Fig.1 Macrostructure of Ti-55531 titanium alloy forging
图2 Ti-55531自由锻件钛合金的显微组织Fig.2 SEM images of microstructure of Ti-55531 titanium al-loy forging
(a)Normal area;(b)Bright band area
表1 正常区与亮带区的化学成分比较Table 1Comparison of chemical composition in normal area and bright band area(%,mass fraction) 下载原图
表1 正常区与亮带区的化学成分比较Table 1Comparison of chemical composition in normal area and bright band area(%,mass fraction)
2.2 力学性能测试
对亮带区和正常区取拉伸试样进行室温力学性能测试结果显示(表2):较正常区,亮带区强度下降明显(约270 MPa),而塑性有所提升。而以往的研究表明[7,8],片层α相与等轴α相相比强度差异不大,但塑性较低,与本实验结果不符。值得注意的是,亮带区的弹性模量(85~86 GPa)远低于正常区(110 GPa),应与织构差异有关。
2.3 织构分析
图3为亮带区通过EBSD数据外插法,去除α相后β相宏观的取向成像分布图。可见,该视场内含有部分沿同一方向延伸的中等尺寸晶粒,少量等轴小尺寸晶粒,及一个<001>取向的大尺寸晶粒(面积分数72.4%),晶粒尺寸极不均匀。由中等尺寸β晶粒的形貌可知,该位置经历了变形量较大的压缩变形。中等尺寸及大尺寸β晶粒内存在的取向差,说明这些晶粒经历了反复形变、回复及长大的过程。小尺寸β晶粒由于尺寸效应,容易被大尺寸β晶粒吞并。
表2 室温力学性能测试结果Table 2 Result of tensile testing at ambient temperature 下载原图
表2 室温力学性能测试结果Table 2 Result of tensile testing at ambient temperature
图3 亮带区β相的组织及宏观织构Fig.3 Microstructure and macrotexture ofβphase in bright band area
(a)EBSD map;(b)Inverse pole figure
亮带区内,片层α相呈束状分布,同束内的α相取向十分相近,见图4。片层状α相存在不同程度的破碎,但由于反复相变造成变形量不足,其球化程度有限。众所周知,钛合金中体心立方至密排六方的β→α相变,满足{0002}α∥{110}β,<11-20>α∥<111>β晶体学关系,即Burgers关系[9,10,11,12,13]。经历热变形后,该区域的α相与β相的Burgers关系有所偏离,但偏离程度不大,见图4(c,d)。
图5为正常区通过EBSD数据外插法,去除α相后β相宏观的取向成像分布图。可知正常区内β晶粒趋近等轴(图5(a)),无明显垂直于压缩方向延伸的β晶粒,说明该位置变形量不如亮带区大,但晶粒尺寸仍然不均。β相仍以<001>取向为主,其织构锋锐程度明显低于亮带区域(面积分数22.3%,见图5(b))。在正常区内,α相与β相仍保持Burgers关系,但由于α相未经历反复相变,其球化程度较高,因此偏离程度较亮带区大,见图6。
图4 亮带区β相的组织及宏观织构Fig.4Microstructure and macrotexture ofαandβphase in bright band area
(a)EBSD map ofβphase;(b)EBSD map ofαphase;(c){110}βpole figure;(d){0001}αpole figure
图5 正常区β相的组织及宏观织构Fig.5 Microstructure and macrotexture ofβphase in normal area
(a)EBSD map;(b)Pole figure
由图4及图6可知:变形量越大,α相的球化程度越高,则α相与β相的Burgers关系偏离程度越高。
图6 正常区β相的组织及宏观织构Fig.6Microstructure and macrotexture ofαandβphase in normal area
(a)EBSD map ofβphase;(b)EBSD map ofαphase;(c){110}βpole figure;(d){0001}αpole figure
2.4 讨论
2.4.1 亮带形成的原因
亮带区出现在锻件中心层,这是在两相区靠近相变点温度锻造过程中,由于变形潜热释放且钛合金导热性差,锻件中心层一直保持较高温度,甚至超过相变点。由于回复态大尺寸<001>取向的β晶粒在相变点以上不易发生再结晶,且容易利用尺寸优势吞并其他小尺寸β晶粒[14](由再结晶后立即变形形成),因此在反复相变及变形过程中,锻件心部<001>大尺寸β晶粒会越长越大。所以在侵蚀低倍后,锻件心部由于过大的原始β晶粒,而形成了所谓的亮带。
关于<001>大尺寸β晶粒其形成原因主要有两个:第一,大规格棒材中心大尺寸<001>取向晶粒的遗传。在反复锻造过程中,棒材中心由于变形简单、冷速慢等原因,<001>取向β晶粒不断的变形、回复、长大,造成晶粒尺寸不断增加[15],这一过程在制备锻坯时仍在继续。第二,在热压缩及加热过程中<001>取向为稳定取向。钛合金在相变点附近经单向压缩变形后产生<001>,<111>压缩织构,见图7(a,b);经过5 min保温后已发生完全再结晶,<001>织构保留下来,<111>织构几乎全部消失,见图7(c,d)。而在锻造过程中,由于锻件心部变形潜热高、导热性差,锤头两次压下间隙可视为保温过程,与重复热压缩、保温实验条件相符,因此<001>织构在锻造过程中稳定。
图7 热压缩及保温实验中β相的组织及宏观织构Fig.7 Microstructure and macrotexture ofβphase
(a,b)Hot compression deformation at 860℃,1 s-1;(c,d)5 min anealing at 860℃after hot compression deformation
2.4.2 β相织构对钛合金力学性能的影响
从性能测试结果看,亮带区比正常区强度低,塑性高,弹性模量低。由于在拉伸时,BCC金属中<001>取向是不稳定取向,在逐渐转向<110>过程中需要经历一系列软取向,因此其强度、弹性模量较无织构时低、而塑性则较高,这恰与性能测试的结果相符。在以往研究中表明[16],球状α相与β相间不会继续保留Burgers关系,但本实验结果表明,在锻造过程中,无论是球状还是片层状α相,均与β相遵循较为稳定的Burgers关系,见图4(c,d)、图6(c,d),所以β相织构在很大程度上决定了α相的织构。说明β相织构会间接地影响钛合金的力学性能。而β相织构直接影响钛合金力学性能的证据及机制将在下一步的工作中进行。
3 结论
1.Ti-55531自由锻件横截面低倍观察时,中心层出现的亮带,并非由元素偏析所致,而是由于中心变形潜热释放高、散热差,使得大尺寸<001>取向β晶粒持续长大造成的。亮带区与正常区的化学成分差异不大,主元素偏差都在0.1%以内。亮带区为网篮组织,正常区为等轴组织。
2.Ti-55531自由锻件的亮带区强烈的<001>取向β织构,是造成其比正常区强度低、塑性高、弹性模量低的主要原因。实验证明,<001>取向在热压缩及加热过程中稳定。
3.变形量越大,α相与β相之间Burgers关系偏离程度越大。片层α相比等轴α相,更好地继承了与β相的Burgers关系。由于热变形后α相与β相仍遵循Burgers关系,因此β相织构可以间接地影响力学性能。
参考文献
[1] Cao C X.One generation of material technology,one generation of large aircraft[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2008,29(3):701.(曹春晓.一代材料技术,一代大型飞机[J].航空学报,2008,29(3):701.)
[2] Jéróme Pora.Advanced materials and technology for A380 structure[J].Aviation Maintenance and Engineering,2003,(6):50.(Jéróme Pora.A380结构的先进材料和技术——未来发展的技术平台[J].航空维修与工程,2003,(6):50.)
[3] Gan G Q,Li P,Xue K M,Zhao M.Mesoscopic simulation of phase transformation in TA15 alloy based on isothermal hot compression[J].Chinese Journal of Rare Metals,2015,39(1):90.(甘国强,李萍,薛克敏,赵蒙.TA15钛合金热变形过程中基于介观尺度的相变模拟研究[J].稀有金属,2015,39(1):90.)
[4] Yue X,Huang D C,Song R C,Wang S Y,Zhao Z L,Ma B J,Ma E H,Li W Q.Research on bright spots of macrostructure of TC17 titanium alloy[J].China Titanium Industy,2013,34(1):21.(岳旭,黄德超,宋蕊池,王淑艳,赵自林,马宝军,马恩惠,李渭清.TC17钛合金棒材低倍组织亮斑研究[J].中国钛业,2013,34(1):21.)
[5] Zhao X D,Chen Z Q,Zheng Q Y,Wang J Y.The formation of“bight strips”and its effect on the properties of TC17 titanium alloy[J].Titanium Industy Progress,2011,28(4):28.(赵兴东,陈仲强,郑渠英,王键妍.TC17钛合金整体叶盘腐蚀表面“亮条”的成因及其对性能的影响[J].钛工业进展,2011,28(4):28.)
[6] Qin G H,Ji B,Zhu F.Analysis of abnormal microstructure of TC6 isothermal forging[J].Journals of Shanghai Irion and Steel Research,2006,(3):42.(秦桂红,计波,朱峰.TC6等温锻件的异常显微组织分析[J].上海钢研,2006,(3):42.)
[7] Sha A X,Li X W,Wang Q R,Bao R Q.Influence of hot deformation temperature on microstructure and mechanical properties of TC18 alloy[J].Chinese Journal of Nonferrous Metals,2005,15(8):1167.(沙爱学,李兴无,王庆如,鲍如强.热变形温度对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报,2005,15(8):1167.)
[8] Huang D H,Zhou J,Hong X,Chen R G,Zhao S F.Influence of quasiβforging on microstructure and mechanical properties of TC18 Ti alloy[J].Forging&Stamping Technology,2014,39(8):125.(黄定辉,周俊,洪鑫,陈瑞钢,赵顺峰.准β锻造工艺对TC18钛合金组织与性能的影响[J].锻压技术,2014,39(8):125.)
[9] Karthikeyan T,Dasgupta Arup,Khatirkar R,Saroja S,Samajdar I,Vijayalakshmi M.Effect of cooling rate on transformation texture and variant selection duringβ→αtransformation in Ti-5Ta-1.8Nb alloy[J].Materials Science and Engineering A,2010,528(2):549.
[10] Furuhara T,Takagi S,Watanabe H,Mayi T.Crystallography of grain boundaryαprecipitates in aβtitanium alloy[J].Metallurgical and Materials Transactions A,1996,27(6):1635.
[11] Bhattacharyya D,Viswanathan G B,Fraser H L.Crystallographic and morphological relationships betweenβphase and the Widmansttten and allotriomorphicαphase at specialβgrain boundaries in anα/βtitanium alloy[J].Acta Materialia,2007,55(20):6765.
[12] Obasi G C,Birosca S,Leo Prakash D G,Quinta da Fonseca J,Preuss M.The influence of rolling temperature on texture evolution and variant selection duringα→β→αphase transformation in Ti-6Al-4V[J].Acta Materialia,2012,60(17):6013.
[13] Gey N,Humbert M,Philippe M J,Combres Y.Modeling the transformation texture of Ti-64 sheets after rolling in theβ-field[J].Materials Science and Engineering A,1997,230(1):68.
[14] Yan M Q,Sha A X,Zhang W F,Wang Y H.Recovery and recrystallization behavior of large sizedβphasegrains in TC18 titanium alloy during annealing process[J].Materials Science Forum,2015,817:263.
[15] Li K,Yang P,Sha A X,Yan M Q.Investigation of mircosturcture and texture ofβphase in a forged TC18titanium alloy bar[J].Acta Metallurgica Sinica,2014,50(6):707.(李凯,杨平,沙爱学,颜孟奇.锻态TC18钛合金棒材中β相组织和织构特征研究[J].金属学报,2014,50(6):707.)
[16] Bhattacharyya D,Viswanathan G B,Vogel S C,Williams D J,Venkatesh V,Fraser H L.A study of the mechanism ofαtoβphase transformation by tracking texture evolution with temperature in Ti-6Al-4V using neutron diffraction[J].Scripta Materialia,2006,54(2):231.
