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TC11钛合金棒退火后产生开裂的主要原因
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TC11钛合金棒退火后产生开裂的主要原因

发布时间 :2020-12-03 05:42:14 浏览次数 :

钛合金由于具有比重小、比强度高以及优良的抗腐蚀性能的优点,在航空航天、船舶以及医疗等许多方面得到了运用。尤其随着最近冶炼技术与加工制造业的迅猛发展,钛合金材料在航空航天领域的运用也越来越广泛。在军机上钛合金的使用量越来越大,最近几年为减轻飞机重量很多结构件都采用了钛合金,苏—27飞机上各种钛合金零件的总质量约占飞机总质量的15%。

钛合金具有较高的缺陷敏感性,其冶炼缺陷主要有金属夹杂、非金属夹杂、化学成分偏析,其中偏析出现的机率较高。然而,由于材料检验抽样的随机性使得有些缺陷并不能在材料检 验中均被检出,这些缺陷可能会在生产加工、热处理等过程中才暴露出来。另外由于钛合金发展使用的历史较短,目前对钛合金的研究远不如对钢合金与铝合金等的研究深入,参考资料也相对较少,因此为了提高钛合金的冶炼质量与零件使用及其工作的可靠性,在生产实践中研究钛合金的宏观、微观组织及其对力学性能的影响有着重要的意义。

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近几年为了减轻弹射座椅的质量,部分零件已经开 始 使 用 钛 合 金。 某 型 弹 射 座 椅 用Φ 55mmTC11钛合金热轧棒料在900℃真空退火90min后表面出现了纵裂纹,裂纹断续沿纵表面分布。为了查明裂纹产生的原因,实验对开裂的TC11钛合金棒进行了理化检验和分析。

TC11钛合金棒在退火后发现裂纹。为分析裂纹产生的原因,对其进行了裂纹宏观和微观检验、显微硬度测试和能谱分析。结果表明:原材料在冶炼过程中氧、碳含量偏高聚集在材料中形成偏析,在轧制过程中开裂,退火后发现的钛棒纵表面的裂纹是由原材料带来的。

1、理化检验

1.1 宏观检验

开裂钛合金棒的宏观形貌如图1所示,可见裂纹在棒料外表面沿纵向间断分布。图2为横向取样的宏观形貌,可见裂纹深达 3.6mm,尾端圆钝,并不尖锐。

1.2 微观检验

图3~5是从同一裂纹沿纵表面取样磨制侵蚀后在不同部位获得的显微组织形貌,可以清楚的看到裂纹附近有一条白亮条带状组织,白亮区与基体组织边界分明。但白亮区并未与基体完全剥离,一边与基体结合成为 一体。棒料从 白 亮条带一 侧 开裂,裂纹一侧为基体组织,另一侧为白亮区。白亮条带与基体组织明显不同。由图5可见,裂纹在白亮条带尾端附近终止。裂纹是白亮条带的一侧与基体分离而产生。白亮区宽度约0.3mm。由此可见,裂纹的产生与白亮条带的存在应该有很大的关系。

图1 纵表面裂纹的宏观形貌

1.3 显微硬度测试

白亮区为富氧α组织,对白亮条带与基体进行显微硬度试验,试验载荷为200g。测得白亮条带处的显微硬度为550,572,532,560HV0.2,平均值为560HV0.2;基 体 的 显 微 硬 度 为438,446,442,434HV0.2,平均值为440HV0.2。条带处的显微硬度比基体处的高出约30%,由图6也可以看出,白亮条带的显微硬度压痕比基体的小。

图7是裂纹横截面的显微组织,可见左下侧的白亮组织(α相)明显比右上侧的多。图8是基体的显微组织,可见为α+β等轴组织。等轴组织的特点是等轴状的α相分布在转变了的β相基体上,等轴组织有着很好的拉伸塑性和疲劳强度。图9是横截面处的微裂纹形貌,可见主裂纹边缘出现了分支微裂纹。

1.4 能谱分析

对白亮区利用能谱进行微区成分分析,结果如图10所示,可见缺陷中氧与碳的含量很高。

2、分析与讨论

通常由于热处理不当导致零件(或材料)产生的裂纹通常尾端尖锐,呈扩展态势,图2显示,裂纹尾部并不尖锐,也无扩展特征。在图3~5中,白亮条带只出现在裂纹的一侧,且在图6中可见,条带缺陷

处的显微硬度压痕比基体处的小,条带处的显微硬度比基体处的高出约30%。由此说明白亮条带与基体差异极大。

通常退火致裂的情况极少。棒料进厂后只进行了退火处理,并无其他后续工序,则裂纹应是由原材料带来的。若氧与碳的含量明显偏高是由退火造成的,出现污染,那么白亮条带应该出现在裂纹两边,从图3~5可以看出白亮条带只出现在裂 缝一侧。

据此,裂缝是原材料的折叠或拉痕的可能性也可以排除。且由图1和图2可见,裂纹宏观上尾部并不尖锐,不具备热处理裂纹的特征。故可知富碳、氧的亮条是由原材料自身带来的,也就是说裂纹是由原材料带来的。

陶春 虎 等 人 也 曾 对 此 类 白 亮 条 带 进 行 过 分析,结果证明该缺陷为富氧与富碳α层,为富α偏析。该缺陷的存在是由于钛锭熔炼时合金中富含氧与碳,导致材料脆化,使得缺陷处显微硬度比基体部位的高。

白亮区并未与基体完全剥离,一边与基体结合成为一体,应该不是夹杂,而是氧与碳聚集产生的偏析。裂纹是在白亮条带尾端附近终止且在白亮条带的一侧与基体分离,因此裂纹与白亮条带的存在有很大关系,而白亮条带中碳、氧含量明显偏高。白亮区为富氧α组织,白亮区中α相明显偏高。图9的偏析区中出现了细小的微裂纹。

能谱分析结果表明,杂 质元 素氧、碳 的 含 量 偏高,氧、碳聚集在材料中形成了偏析。氧、碳提高相变点,扩大α相区,稳定α组织,这使得组织中出现了α亮条带。富α组织能使强度、硬度大幅提高,但

塑性、断裂韧度以及抗蠕变性能急剧下降,这是亮条区硬度偏高的原因。

富氧α层的显微硬度较高,塑性变形能力差,从而使材料的脆性增加,脆性较大能促使裂纹的形成与发展。这样棒料在轧制过程中就有开裂的可能。同时产生偏析必然导致材料体积范围内的性能不均匀,从而会降低材料的力学性能,尤其是界面两侧的变形不协调导致局部应力的提高,使疲劳裂纹易于萌生。

偏析产生的原因是由于合金中杂质元素或合金元素局部聚集而形成的,会使组织中出现α亮斑、亮条或β斑。

β斑即为β偏析,β偏析的产生原因是合金冶炼在凝固的过程中同一温度下的固相成分和液相成分有差别,液相总是含有比固相更多的β稳定元素,从而导致比较容易产生铸锭中心和头部的β稳定元素的 偏 析,一般出 现 在铸锭 的 等轴区域。β斑对拉伸性能、热稳定性、断裂韧度、低周疲劳和高周疲劳性能会产生极其不利的影响。β斑常常是裂纹的起源,对寿命的影响也较大。

偏析在材料检验中可以通过低倍试验发现。试样在常温的强酸溶液里腐蚀(通常用工业纯体积分数为13%~17%的 硝酸与8.5%~13.5%的 氢氟酸,或者化 学 纯 体 积 分 数 为13% ~17% 的 硝 酸 与10.5% ~13.5%的 氢 氟 酸 ),约 腐 蚀 掉 0.05~0.10mm的厚度后立即在干净的水中清洗并吹干,然后进行观察。偏析将在无光泽的灰色背底上呈现出亮银色的光泽斑,用砂纸打磨并重新腐蚀后偏析在原来位置又可重现;还可以通过硬度试验进行检验,因为偏析区与基体的硬度往往有较大差异。

钛合金具有较高的缺陷敏感性,其中偏析出现的机率较高,通常这类缺陷能在原材料检验或半成品检验中发现。但由于低倍检验取样一般是取全横截面试样,而偏析有可能出现在材料的不同部位,这样就有可能取不到偏析部位。这些缺陷可能会在生产加工、热处理等过程中才暴露出来,更多的是在成品零件经腐蚀后进行100%检验时才能充分暴露出来。

裂纹的产生是由于原材料中存在着缺陷,即钛锭熔炼时合金中混入了强烈氧化的富碳海绵钛块,发生了氧、碳元素偏聚。钛棒在生产轧制时,界面两侧的变形不协调导致局部应力提高,从而引起开裂,在原材料出厂前又未车削干净。为进一步证实该判断,实验检查了库房余料,在余料表面发现了裂纹。

3、结论

(1)钛合金棒上的裂纹是由出厂时带来的。原材料在冶炼过程中氧、碳含量偏高,聚集在材料中形成偏析,在轧制过程中界面两侧的变形不协调导致局部应力提高,从而引起开裂。

(2)钛锭熔炼时应避免混入强烈氧化的海绵钛块。

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