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TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展
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TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展

发布时间 :2021-09-28 06:40:51 浏览次数 :

近些年来我国对TC4钛合金,在热处理的工艺研究上,取得了一些比较大的成果,TC4钛合金因此被广泛的应用到了汽车、航空航天、化工、船舶等一些行业。与此同时也存在着一些缺点,比如结构件的形状比较复杂、传统的加工在工艺上比较繁琐杂,材料的利用率偏低,制造的成本相对较高等。但是对未来的发展而言,必然是经济性好、制造的周期的短、性能优越的趋势,所以相关的科研人员,应该基于当前的研究成果,进行持续不断的研究创新。

TC4钛合金棒

1、研究现状

钛合金在性质上属于同素异构体,在结构上拥有密排的六方晶格α钛结构、体心立方的β钛结构。一旦钛合金的温度发生变化,其组织中的结构就一定会产生相应的变化,形成α相钛、β相钛,在达到一定的温度之后,就会形成一种α+β相的组织钛合金,另一个名称是双相钛合金,我国用TC来表示。TC4钛合金在性质上属于Ti-Al-V系,具备强度高、密度小、耐腐蚀性能强等优点。

1.1 固溶处理

TC4钛合金在经过固溶处理之前,在钛合金的类型中属于α+β型,缺点包括 :耐磨性较差、冷轧成型时加工困难等,对其实施固溶处理工艺,是为了得到等轴稳定的α相、马氏体弥散的α 、 相、亚稳定状态的β相,等轴的α相能够让合金的力学性能得到综合性的提升,马氏体弥散的α 、 相能够让合金,在强度、硬度上得到提高,塑性、韧性被降低。固溶处理的工艺主要是受到两个方面的影响,分别是固溶时的速度快慢、冷却时效率的高低,以下是对这两方面的具体分析[1] 。

1.1.1 固溶温度

TC4钛合金在固溶温度的选择上,是按照金属在加工、工作环境的不同来决定的,因为固溶温度的不同,会导致TC4钛合金在力学性能有不同的表现。固溶的合理选择对TC4钛合金,在软化上起着帮助性的作用,进而在后续的加工中减少机械的切削力,让加工在成本上得到最大的降低。

实验研究发现,应变速率如果相同,那么变形时的温度会升高,因为一旦发生动态回复、动态的结晶,在加工处理时候的硬化能力就会被削弱,热变形抗力的减小速度会被加快。

另一实验研究发现,β相在转变时的温度,对于强度、残余应力而言,是其发生转折的一个点。当合金固溶的温度低于β相在转变时的温度的时候,一旦固溶的温度开始上升,合金的强度伴随温度的增加,强度随之增加,残余应力也得到了缓慢的提高。当合金固溶的温度高于β相在转变时的温度的时候,出现的现象就是,固溶的温度提高之后,合金的强度伴随温度的增加,反而却呈现了下降的趋势,并且合金的残余应力开始大幅度的降低。TC4钛合金在塑性的性能方面,是伴随温度的升高反而持续的呈现下降的趋势。

当合金固溶的温度高于β相在转变时的温度的时候,该合金在微观的组织上,会转化成为板条状中非常典型的魏氏体,这就是导致该合金在强度、塑性规模,呈现下降趋势最主要的原因。双态组织的应力在松弛能力方面相对比较强,而且在转变的整个过程当中,不会受到次生的α相的任何干扰,魏氏组织在残余应力方面,相对于双态组织要低一些。在TC4钛合金当中,魏氏组织、双态组织二者,都有其各自独特的优势,未来的主要研究方向应该是,对两种组织中存在的缺陷应该如何消除,进而在组织方面得到更好的性能,让TC4钛合金在未来能够广泛的,应用到日常的各个领域当中去。

1.1.2 冷却速率

在固溶处理工艺中冷却速率的不同,钛合金在性能的获取上也会不同,当下常见的冷却方式有炉冷、水冷、空冷等。

实验研究发现,TC4钛合金在经过退火之后,炉冷中能够得到一种现象,那就是α相均匀的分布在β相中,内应力因此被消除,组织稳定性、使塑性由此提高,强度、硬度因此降低。另一实验研究发现,在炉冷的整个过程当中,存在着相对很深的韧窝,在得到的强度方面空冷高于炉冷。另一实验研究又发现,韧窝在空冷中也同样存在,还因此提高了空冷的冲击韧性,在获取的等轴α相中空冷比炉冷要细小,空冷的塑性由此被提升。在得到的力学性能的综合方面,由于空冷比炉冷、水冷更好,但是在强度上空冷比水冷低,因此未来的固溶处理工艺,在对冷却速率的研究上要加强,让TC4钛合金经过空冷之后,在强度、硬度上得到提高,进而让TC4钛合金在力学的综合性能上得到更好的提高。

TC4钛合金板

1.2 时效

时效属于热处理工艺中的一种,是指能在一定的温度下,把金属放在其中一段时间,让金属的强度得到提高的一种工艺[2] 。以下主要是针对时效中的温度、时间,在组织、力学性能上对TC4钛合金的影响,并且对TC4钛合金的时效处理、未来发展的方向上做出了总结。

1.2.1 时效温度

时效温度虽然对于出生的α相影响力方面比较小,但是对次生的α相,在尺寸上起着决定性的作用。实验研究发现,在条件相同情况之下,双态组织的TC4钛合金在动态抗拉的强度方面,随着次生片层的α相在宽度上的增加,导致其强度减小,然而在静态的力学性能中只有断后的伸长率,会随着次生的α相在宽度上的增加而加。另一实验研究发现,次生的α相体积分数在TC4钛合金中,会对屈服强度产生很大的影响。在条件相等的情况之下,时效温度越低组织越小,时效温度高低组织越大。

综上所述,时效由于温度的升高而导致性能下降的主要原因是,次生α相的尺寸被增大了,因此要想让TC4钛合金在力学性能上得到提升,最关键的一点就是,对次生的α相在尺寸上实施控制。科研人员后续的主要研究方向,应该是对次生α相的具体控制,来实现TC4钛合金在力学的性能上得到更好的提升。

1.2.2 时效时间

实验研究发现,由于时效时间长的ω相,给初生的α相提供的形核点,导致了初生的α相在体积分数上被增大了。由于时效的时间过长,进而产生了一种激发形核的现象,导致次生的α相在TC4钛合金中的体积分数被增加、长宽比被增加、晶粒变得粗大,并且上述的这些因素会导致力学性能的降低。但是在TC4钛合金中时效时间在性能上,可能会产生的影响仍然缺乏深入的研究。

1.3 深冷处理

深冷处理是近些年来新兴的一种处理工艺,其可以对金属内部的组织进行改善,在进行深冷处理的时候操作比较方便,对环境也不会造成太大的污染,并且能够让在热处理之后残留的奥氏体被清除掉。实验研究发现,原始的β相会在深冷处理的过程当中,逐渐的向α 、 相去转变,残余应力在组织中会变少,与此同时网篮状组织的增加,会让TC4钛合金的韧性、强度、塑性,在组织上的性能得到提高[3] 。由于深冷处理的工艺在对有色的金属材料,在组织、性能、影响方面的研究还没有成熟,作用的具体机理也需要进一步的去研究,而且实施深冷处理的设备,在价格方面相对比较昂贵,因此在深冷处理工艺在设备的研发上,应该加大投入的力度、规模,这样在未来的发展上能够起到有效的推动作用。

2、发展的趋势

针对上述对TC4钛合金在当今的热处理工艺中的现状,在其未来的发展趋势上,总结了以下几点 :

第一,TC4钛合中的双态组织、魏氏组织,二者既有优点也有缺点,因此在未来的研究上,应该对针对二者在缺陷上进行弥补,让TC4钛合金的力学性能得到有效的增强。

第二,由于空冷对力学性能在综合性方面,起到了提高的作用,因此在固溶处理工艺中,对冷却速率开展研究的时候,对空冷要进行着重的研究,让TC4钛合金经过空冷之后,自身的强度、硬度得到有效的提高,借此来让TC4钛合金的力学性能得到有效的增强。

第三,次生相的α在尺寸上的大小,取决于实效温度的大小,因此相关的科研人员,应该对在实效的过程当中,如何通过对次生向的α在尺寸大小上的控制,对来TC4钛合金在力学的综合性能机进行掌控,达到让TC4钛合金的力学性能得到有效增强的目的。

第四,由于TC4钛合金在时效时间、时效温度上,对力学性能所产生的变化趋势是相似的,因此相关的科研人员应该,针对TC4钛合金在时效的时间上进行深入的研究。

第五,由于深冷处理工艺的设备,在价格上比较昂贵,具体的机理也尚且不够了解,现阶段也没有得到广泛的应用,因此未来在深冷处理的设备上的研究,主要是如何让成本得到有效的降低,只有层本降低了才能大范围,被实际到的应到各个领域当中,有助于推动TC4钛合金在深冷处理工艺上的发展[4] 。

TC4钛合金管

3、结语

综上所述本文主要阐述了,TC4钛合金的热处理工艺,在当下的一些研究应用的现状,对固溶处理工艺中包含的,固溶的温度、冷却的速率,对时效处理工艺中的时效温度、时效时间,对TC4钛合金在力学性能的综合性方面的影响,并且针对在深冷处理中,奥氏体减少残留的具体方法进行了分析、总结,最后对TC4钛合金,在未来的发展趋势、研究方向上,提出了一些分析思考。

参考文献:

[1] 王新英.ZTC4钛合金固溶时效热处理工艺研究[C]//全国钛及钛合金学术交流会议.中国金属学会;中国材料研究学会;中国有色金属学会,2002.

[2] 鲍学淳.热处理工艺对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J].金属热处理,2019,044(006):137-140.

[3] 王普强.不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展[J].航空制造技术,2020,63(10):56-65.

[4] 孟宪伟.TC4钛合金热处理工艺的研究现状及进展[J].装备制造与教育,2019,33(03):28-30+42.

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