TC16( Ti-3Al-5Mo-4.5V)合金屬于馬氏體型( α +β)兩相鈦合金,因合金比強度、塑性高,抗疲勞﹑焊接和淬透性良好等優異特性,廣泛應用于航空、航天、化工、冶金﹑船舶、國防、醫療、油田和汽車等領域,是制造緊固件理想的材料之一。隨著各國航空工業飛速發展,鈦合金緊固件應用比較普遍,具有良好的減重效果,且是鈦合金、碳纖維復合材料等結構件必須的連接件[2]。當前飛機構件多采用機械連接[4],這對緊固件用鈦合金材料的各項性能提出了更高要求。俄羅斯長期使用TC16合金作為制造緊固件的材料,但對生產過程中合金組織演變及組織對力學性能的影響缺少全面系統的試驗與分析[5]。國內對TC16合金做了一些探索研究,如吳崇周等[6·]系統分析了退火制度、固溶時效,冷變形強化等因素對TC16合金組織和性能的影響;張志強等[5研究了淬火溫度對TC16合金顯微組織和變形行為的影響。熱處理制度是保證TC16 鈦合金棒材工藝性能的重要因素,也是TC16鈦合金高性能的保證[8],因此,本文以TC16合金為研究對象,研究了不同熱處理制度對該合金組織演變及組織對力學性能的影響規律。

試驗材料與方法

試驗用材料是采用真空自耗電弧爐熔煉的TC16合金,其具體化學成分見表1 ,坯料鑄錠經開坯、鍛造、精鍛、軋制成b12 mm的棒材,通過金相法測定的TC16合金相變點為T。=850 ℃。

TC16鈦合金相變點為T。=850℃,固溶處理選擇在700 ~900 ℃范圍內進行,固溶時間選擇為30 min。本次試驗對b12 mm的小棒材分別在780、800、850、900 ℃下進行固溶處理,保溫時間為30 min ,對每一溫度下固溶處理的試樣分別采用空冷(AC)、爐冷( FC),水冷(WQ)方式進行冷卻。固溶處理后,選用固溶處理為800 ℃ x 30 min + WQ的試樣再分別在520、560和 600℃保溫2、4,8,16 h空冷進行時效處理,后對其組織進行金相( OM)對比分析,并測試其冷卻后試樣的室溫拉伸性能,所用試驗設備為AxioVert.A1研究級倒置數字材料顯微鏡和Instron1 185力學試驗機。

熱處理對棒材力學性能的影響

如圖3所示,隨著固溶溫度的升高,合金抗拉強度和屈服強度先降后升,在850℃出現低谷分別僅為827、777 MPa ,伸長先升后降,總體來看,固溶溫度對該合金塑性影響不大。隨著固溶溫度的升高,形成的α"馬氏休逐漸增加, 而α"馬氏體在分解時不產生強化作用,屈服強度首先大幅降低,因為亞穩定β相和α"馬氏體相在應力作用下容易發生分解,拉伸試驗時亞穩定的β相析出α"相,α"相等溫加熱會發生分解,可使合金在較低應力下發生塑性變形,促使其屈服強度急劇下降,同時分解出的被β相穩定元素所飽和的α"相在均熱條件下又會析出較穩定的β相,這使其抗拉強度和屈服強度又有所升高。

在相同固溶時效處理制度下,隨著時效時間延長，TC16鈦合金強度也隨之提高,原因是時效時細小彌散物大量析出,時效時間越長,彌散物顆粒越多,從而提高固溶體強度。另外,隨著時效時間的延長及溫度的提高,會出現析出彌散物顆粒聚集的現象,從而使時效強化作用減弱,這會導致鈦合金棒材塑性的增加。TC16鈦合金在780℃固溶處理并隨后以2~4 C/min隨爐冷卻至550℃左右,后在空氣中冷卻可以得到較理想的(α-β)組織,且具有穩定、良好的綜合性能,因此在制定固溶加時效工藝參數時可把780℃左右固溶作為參數[9],以深挖TC16鈦合金的材料性能。

表2為TC16鈦合金棒材不同熱處理工藝處理后的室溫拉伸性能測試結果。不同熱處理工藝處理后的室溫拉伸性能性能差異較大。高溫水淬時,合金中的β和α"相能穩定存在,隨固溶溫度提高,合金的抗拉強度變化不大,而屈服強度則先降后升,伸長率和面縮先升后降;空冷時,亞穩態β相部分分解形成強化合金的彌散析出物,合金抗拉強度和屈服強度在800 ℃出現低谷,而塑性參數則相反;爐冷時,合金拉伸性能參數穩定,抗拉強度和屈服強度變化不大,伸長率超過800 ℃時其值恒定,面縮率隨著溫度的升高緩慢下降。

結論

1 ) TC16鈦合金800 ℃進行固溶處理,初始組織為初生α相和亞穩態β相,隨著固溶溫度的升高,合金晶粒有所長大,且亞穩態β相會發生α"馬氏體轉變,o"馬氏體相略有長大,會使晶粒均勻,當溫度達到900 ℃后,會使α"馬氏體析出晶界完整的β相,最后形成魏氏組織。

2)固溶溫度對TC16鈦合金塑性影響不大,相同固溶時效處理制度下,隨著時效時間延長,細小彌散物大量析出,時效時間越長,彌散物顆粒越多,且隨著時效時間的延長及溫度的提高,析出的彌散物顆粒發生聚集,從而使時效強化作用減弱,這些因素會導致鈦合金棒材強度和塑性略有提高。

3 ) TC16鈦合金在780℃固溶處理并隨后以2~4 ℃/min隨爐冷卻至550℃左右,后在空氣中冷卻可以得到較理想的( α-β)組織,且具有穩定、良好的綜合性能,固溶加時效工藝參數時可把780℃左右固溶作為選參數。