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热处理对TC4钛合金板材韧性的影响

发布时间:2023-03-15 22:20:56 浏览次数 :

TC4(Ti-6Al-4V) 是目前用量最大、用途最为广泛的钛合金。通过不同的加工工艺改变TC4板材的显微组织形貌,并使材料呈现出多样化的性能特点,对于深入挖掘材料性能潜能,扩大材料应用场景有较大意义。材料韧性是材料变形时吸收能量的能力,常用冲击韧性和断裂韧性指标来表征材料韧性的优劣[1]。本文通过对低间隙和高氧TC4钛合金板材进行不同热处理温度退火,研究了热处理温度对板材冲击韧性、显微组织和裂纹扩展速率的影响规律。

钛合金板

一、实验方法

1、实验材料

本研究采用热轧工艺生产的两批次厚度10 mmTC4板材,两批次板材分别编号为板材A、B。板材A为低间隙(ELI)TC4成分,板材B为高氧TC4成分(化学成分见表1)。板材热轧至10 mm 后未经热处理,以热轧状态采用水切割方式取试样坯。

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2、板材热处理

使用高精度箱式热处理炉(±2 ℃) 对试样坯进行热处理,选取TC4再结晶温度范围进行再结晶退火热处理(见表2),热处理时间均为60 min,冷却方式为空气冷却。

3、性能测试

测试板材冲击韧性和裂纹扩展速率以表征板材韧性,其中板材冲击韧性实验方法执行GB/T 229—2007,测试方向为横向,每个热处理制度测试三个样。裂纹扩展速率实验方法执行ASTM E647-15,测试方向为横向。

2、结果与讨论

1、冲击韧性

表3 为热轧态及经不同温度热处理后低间隙TC4(A) 及高氧TC4板材(B) 的横向室温冲击韧性测试数据。从表 3 可以看出,在各热处理制度下低间隙 TC4板材室温冲击韧性均高于高氧 TC4钛板材,降低板材氧含量可以提高板材塑性,降低强度水平,降低材料的脆性倾向,提高板材受外力冲击时的能量吸收功,从而提高板材冲击韧性[2]。

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从表 3 可以看出,在 700~980 ℃ 范围内随着退火温度升高,板材A和B的冲击韧性值均呈现出先下降后上升再下降的规律。低间隙 TC4(A) 板材经780 ℃ 热处理后冲击韧性最小,平均达到 58.3 J/cm2;经 900 ℃ 热处理后冲击韧性最大,平均达到 82.3 J/cm2

高氧 TC4(B) 板 材经 780 ℃ 热 处理后冲击韧性最小,平均达到33.7 J/cm2;在 940 ℃ 热处理后冲击韧性最大,平均达到 51.3 J/cm2

2、显微组织

图 1 为板材 A、B 在热轧态及冲击韧性值最小、最大时对应热处理制度下的显微组织图片。

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从图 1 可以看出,板材 A、B 热轧态显微组织均为初生等轴状及长条状 α+次生 α+β 转变组织,板材 A 的次生 α 含量较板材 B 略多。经 780 ℃ 热处理后,板材发生再结晶及晶粒长大,板材 A、B 显微组织类型与热轧态相同,但初生等轴状及长条状α 均发生明显长大。

板材 A 经 900 ℃ 热处理后,板材显微组织为初生等轴状 α+片层状 α+β 转变组织组成的双态组织。

板材 B 经 940 ℃ 热处理后,板材显微组织同样呈现出双态组织,但与板材 A 相比,板材 B 的初生等轴状 α 含量较少,片层状 α 含量较多且较为粗大。

等轴状 α 组织通常具有较好的强度、塑性和抗疲劳裂纹萌生性能,片层状 α 则具有较好的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能,双态组织则很好的综合了等轴和片层状组织在材料性能方面的优点,较为均衡的抑制了裂纹萌生和扩展过程,提高材料韧性。与板材 B 相比,板材 A 等轴状 α 含量更多,有利于提高板材整体塑性,降低 α 晶粒萌生裂纹的倾向;板材 A 片层状 α 更为细小,晶界占比更大,有利于使室温下沿晶裂纹扩展路径曲折化。

2、裂纹扩展速率

板材 A 经 780 ℃、900 ℃ 热处理后及板材 B 经780 ℃ 热处理后横向裂纹扩展速率分别代表低间隙板材冲击韧性值最小、最大及高氧板材冲击韧性值最小状态下板材横向裂纹扩展速率情况。板材 A 经900℃ 热处理后裂纹扩展速率最低;经 780℃ 热处理后次之;板材 B 经 780℃ 热处理后裂纹扩展速率最高;在裂纹扩展阶段 3 种板材裂纹扩展速率的差异更为显著。此外,板材 B 中较高的氧含量 (0.18%)会加剧晶粒尺寸对裂纹扩展速率的影响程度[3]。上述规律与冲击韧性结果对材料的韧性评价结果相一致,冲击韧性值越高,裂纹扩展速率越低,材料变形和断裂时吸收的能量越高,材料抵抗变形和断裂的能力越强。

三、结束语

TC4钛合金板经780 ℃ 热处理后显微组织类型为初生等轴状及长条状 α+次生 α+β 转变组织,冲击韧性低,裂纹扩展速率高;经 900~940 ℃ 热处理后显微组织类型为双态组织,冲击韧性高,裂纹扩展速率低。板材氧含量对板材韧性影响显著,降低氧含量会 显著提高板材冲击韧性,降低板材裂纹扩展速率。

参考文献

[1] 郑修麟. 材料的力学性能. 西安: 西北工业大学出版社, 2000

[2]张翥, 王群骄, 莫畏. 钛的金属学和热处理. 北京: 冶金工业出版社, 2009

[3] 莱茵斯, 皮特尔斯. 钛与钛合金. 北京: 化学工业出版社, 2005

作者简介:高飞 (1986—),男,陕西宝鸡人,硕士,2012 年毕业于西安理工大学材料科学与工程专业,研究方向:钛及钛合金加工。通信地址:721014 陕西省宝鸡市钛城路 1 号宝钛集团,E-mail:gaofei_828@qq.com。

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