TC4ELI(ExtraLowInterstitial)钛合金在TC4合金的基础上,降低了间隙元素含量,提高了合金的断裂韧度和裂纹扩展速率[1-3]。该合金兼具低海洋浸泡腐蚀速率、高强度(抗拉强度Rm≥895MPa)以及良好的成形/焊接性能[4],现已成为深海耐压壳体、舰船管路系统等关键部件的优选材料[5-6]。随着海洋装备服役环境日趋严苛,对TC4ELI钛合金板材的低温冲击韧性(-20℃以下)及组织稳定性提出了更高的技术要求。本文以舰船用厚度为24mm的TC4ELI钛合金热轧板材为研究对象,系统考察退火温度(760~1000℃)对板材显微组织演变及其室温/低温力学性能的影响规律,为制定板材热处理协同工艺提供数据支撑。
1、试验材料及方法
试验原材料为新疆湘润新材料科技有限公司提供的TC4ELI钛合金热轧态板材(厚度为24mm):经3次真空自耗电弧炉熔炼成Φ689mm铸锭,铸锭经多火次锻造至厚度为307mm的板坯,板坯在两相区经三火次轧制为厚度为24mm的板材。相变温度为977℃,化学成分见表1。热处理试验在马弗炉中进行,设置5组退火工艺参数(表2):温度范围为760~1000℃,保温时间为1h,空冷(AirCooling,AC)至室温。参照GB/T232—2024[7],在板材1/4厚度处截取试样,取样方向分别与轧制方向呈0°(纵向)、90°(横向),进行以下测试。
(1)室温拉伸试验:按GB/T228.1—2021[8]制备R7标准试样,测试速率为2mm·min-1。
(2)冲击试验:制备10mm×10mm×55mm夏比V型缺口试样,按GB/T229—2020[9]分别进行室温及-20℃低温冲击测试,缺口轴线垂直于轧制面。
(3)显微组织分析:试样经Kroll试剂(3%HF+6%HNO3+91%H2O)腐蚀后,使用光学显微镜观察其组织形貌。冲击断口形貌通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察。
2、试验结果与分析
2.1 退火温度对显微组织的影响
按照表2的热处理制度对试样进行热处理,显微组织见图1。图1a、图1b和图1c的组织形貌相似,均为等轴初生α相+β转变组织,β转变组织由交错分布的次生α相和残余β相组成。随着退火温度的升高,次生α相含量(即体积分数,下同)由25.9%增加至31.6%,片层结构厚度约增加89%(1.8μm3.4μm)。当退火温度为960℃时,初生α相大量分解,α相含量仅为15%(图1d),组织为晶界等轴初生α相+β转变组织,β转变组织由晶内细小片层次生α相集束和残余β相组成。当退火温度达到1000℃(超过β相相变点Tβ=997℃)时,初生α相完全溶解,形成粗大的魏氏组织,见图1e。
2.2 退火温度对冲击性能和拉伸的影响
按照表2的热处理制度对试样进行热处理,TC4ELI钛合金板材的力学性能见表3,冲击断口宏观形貌见图2,室温冲击断口微观形貌见图3,-20℃冲击断口微观形貌见图4。板材冲击性能随退火温度的变化趋势如图5b所示。室温冲击和-20℃冲击功随着退火温度变化趋势是一致的。920℃退火时,室温和-20℃冲击功达到峰值,分别为47.3和40.2J。图2a~图2d、图2f~图2i断口呈灰色,均由纤维区、放射区、剪切唇组成,发生韧性断裂。图2e和图2j断口为发亮灰色结晶状,断裂机理为穿晶解理,发生脆断。随着退火温度的升高,宏观断口的粗糙度逐渐增大。图3和图4显示,随着退火温度的升高(图3a~图3d、图4a~图4d),断口形貌无较大差异,断口均存在大量尺寸各异的等轴韧窝,韧窝之间相互缠结,以网状的形式排布,大韧窝的边缘有一定数量的小韧窝[10-11]。当退火温度达到β相相变
点Tβ以上时,断口形貌发生明显变化,图3e的韧窝数量少而深度浅、显微组织明显粗大;图4e的解理断口呈河流花样,周围存在少量韧窝。
董晓锋等[11]、刘睿等[12]、NiinomiM等[13]等研究证实,对于两相钛合金断裂过程,初生α相是裂纹萌生源及扩展通道;材料的断裂韧性正比于初生α相内部平均自由程。而图1a~图1c的初生α相差异不大,因此合理推测断裂韧性除了初生α相含量这一影响因素之外,还有其他因素。对比观察图2c、图3c和图4c,可以推测出,在冲击断裂过程中,宽厚的片层状次生α相改变了裂纹扩展的方向,使其不断进行路径分支,所以冲击功最大。刘睿等[12]认为,具有初生α相+β转变组织特征的TC4钛合金的动态断裂韧性受到初生α相和次生α相片层的交互影响。董晓峰等[11]也认为,编织状多尺度片层组织中裂纹的扩展出现较多的偏转和二次裂纹,提高了合金的抗裂纹扩展能力。片层α相在取向有利的情况下,能够提高裂纹的扩展功,具有较为曲折的裂纹扩展路径,出现裂纹绕过和穿过片层次生α相集束的现象。
板材室温拉伸性能随退火温度升高的变化趋势如图5a所示。可以看出,不同退火温度下板材抗拉强度Rm差异不大,在950~964MPa之间;规定非比例延伸强度Rp0.2随着退火温度的升高,由885MPa降低至835MPa;在β相相变点以下退火时,板材的伸长率A和断面收缩率Z变化不大。在β相相变点以上退火时,板材塑性急剧下降,其中,伸长率由16%降至9%,断面收缩率由46%降至13%。
3、结论
(1)在β相相变点以下退火,温度对TC4ELI钛合金板材的强度和塑性影响不大;β相相变点以上退火,板材强度变化不大,但由于魏氏组织导致材料变形协调性差、塑性急剧降低。
(2)在920℃以下退火时,初生α相含量差异不大,次生α相含量小幅度增加,次生α相片层厚度增大。
(3)TC4ELI钛合金板材的室温和-20℃冲击性能随着退火温度的升高呈现先升高再降低的趋势,920℃
退火时,室温和-20℃冲击功达到峰值。次生α相的含量和结构对板材冲击性能具有显著影响,在冲
击断裂过程中,宽厚的片层状次生α相改变了裂纹扩展的方向,不断进行路径分支,因此,冲击功增加。
(4)在840~920℃退火,板材的室温拉伸、室温冲击和低温冲击性能匹配良好。
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