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TC11航空用钛合金棒材强化热处理工艺
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TC11航空用钛合金棒材强化热处理工艺

发布时间 :2021-03-21 16:25:42 浏览次数 :

1、序言

TC11钛合金是新型航空装备上开始应用的一种α-β型钛合金,该合金是一种综合性能良好的热强钛合金,在500℃以下具有优异的热强性能(高温强度、蠕变抗力等),并具有较高室温强度及良好的热加工工艺性能,主要应用于航空发动机压气机盘、叶片、鼓筒及飞机结构件等零件。随着航空领域技术的不断发展,航空零件的制造对钛合金的性能提出了较高的要求,其性能与材料内部组织结构密切相关,通过采用合适的热处理工艺进行内部显微组织的调控,可获得具有优异组织性能的钛合金零件。

TC11钛合金棒

下文研究了TC11钛合金在双重退火和固溶时效两种热处理工艺下的组织和性能特点,确定了固溶时效工艺作为提高抗拉强度的最终强化热处理工艺,并进行不同固溶、时效工艺参数的热处理试验,分析了TC11钛合金棒固溶时效工艺参数-显微组织-力学性能之间的相互影响机制,并对固溶和时效工艺参数进行优化分析,得到了可获得优良组织性能的强化热处理工艺组合,达到了图样对零件力学性能的要求,且为后续的TC11钛合金理论研究积累了丰富的数据,具有重要的理论和工程实际意义。

2、试验材料及方法

2.1 试验材料及规格

本研究试验用T C11 钛合金的化学成分经入厂复验合格,其含量符合GJB-2218A—2008标准中的成分要求。热处理工艺试棒尺寸为φ 16mm×400mm,材料初始状态为双重退火,显微组织如图1所示,组织形态为典型双态组织,由一定含量白色等轴球状的初生α相和分布着细小针状次生α相的β转变组织构成。

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2.2 试验方法

根据TC11钛合金相关技术标准和文献研究结论,制定试验研究热处理工艺制度,采用微机控制电子万能试验机CMT5105进行拉伸试验检测力学性能,显微组织检测为在试棒上切取组织观察试样,经镶嵌、磨抛和腐蚀后制作TC11金相试样,采用蔡司Axio Imager A1m金相显微镜进行显微组织观察并拍摄组织照片。

3、讨论和分析

3.1 不同热处理工艺对TC11组织性能的影响根据TC11钛合金相关热处理技术标准,制定了不同热处理工艺试验制度,见表1,分别为试验号A、B和C,试验号A为固溶+时效热处理制度,试验号B和C为双重退火热处理制度,按表1中热处理制度进行工艺试验。

对热处理后的试棒进行拉伸性能检测,获得的抗拉强度值见表1,可知均满足不了图样规定的抗拉强度1150MPa±100MPa要求,试验号A固溶时效的强度值偏高,超过上限值,而试验号B和C双重退火的强度值偏低,达不到下限值。

表1 依据TC11相关标准制定的热处理工艺制度及对应抗拉强度

试验号 热处理制度 抗拉强度/MPa
A固溶+时效:930℃×1h,水冷;      530℃×3h,空冷1266
B双重退火:950℃×1h,空冷;      530℃×6h,空冷1009
C双重退火:940℃×1h,空冷;      530℃×6h,空冷1040~1064

试验号A、B和C的显微组织照片如图2所示。

2.jpg

图2a为固溶、时效状态组织,由图可知,在α+β两相区上部温度加热后,淬火快速冷却,保留下来大量的亚稳定β相,是一种过饱和固溶体(众稳相),由于冷却速度快,过冷度大,再结晶晶粒来不及长大,同时引起了晶格畸变,促使在时效过程中,大量细小、无方向性的针状α相从亚稳定β转变相中析出,并交叉排列在β转变基体上,并包含少量初生α相。图2b和图2c为双重退火状态组织,由白色等轴球状的初生α相和分布着少量细小针状次生α相的β转变组织组成。对比图2中的组织,可知固溶时效状态中的等轴初生α相数量明显少于双重退火状态且尺寸较大,而针状次生α相的含量明显多于双重退火状态,由文献可知,随着针状次生α相的增加,交错排列的α相界面阻碍了滑移的进行,使得合金变形困难,其强度逐渐增加,而随着初生等轴α相的增加,其强度降低,塑性和韧性增加,可知固溶时效强度明显高于双重退火。

3.2 不同固溶、时效工艺制度对TC11组织性能影响

根据以上分析可知,采用双重退火较难达到图样技术要求,结合上述研究结论,制定TC11钛合金固溶、时效热处理工艺制度,见表2。通过对固溶、时效热处理工艺参数进行试验研究,分别研究固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间对其显微组织和力学性能的影响规律。

表2 固溶、时效热处理试验工艺制度

试验号固溶温度/℃固溶时间/h时效温度/℃时效时间/h
19300.56006
29500.55303
39800.56504
493016503
595016004
698015306
79301.55304
89501.56506
99801.56003

将表2 中9 组热处理试棒加工成拉力试样检测力学性能, 获得的力学性能值见表3 。由表3可知,试验号1、4和8对应的强度值可满足1150MPa±100MPa的要求,且具有较好的塑性。

表3 不同热处理制度下力学性能数据

试验号抗拉强度/MPa伸长率(%)断面收缩率(%)
11210121015164243
21380138012124849
3132012804.32.74.03.5
41150116015164648
51270129014155455
61330132014166161
71320133013114446
81180116015144343
9138013809.5113640

根据文献可知,TC11钛合金固溶时间和时效时间对力学性能影响不大,图3为TC11钛合金不同固溶温度和时效温度下的抗拉强度变化曲线,由图可知,固溶温度为930℃和950℃时,抗拉强度值随时效温度的升高而降低,固溶温度为980℃时,抗拉强度值随着时效温度的升高先升高后降低;当时效温度为530℃时,抗拉强度值随着固溶温度的增高先升 高后降低,当时效温度为600℃和650℃时,抗拉强度值随着固溶温度的升高而增高。

3.jpg

4.jpg

分别将9组热处理试棒制备金相组织观察试样,图4为采用显微镜拍摄的500倍下TC11显微组织照片,按图片顺序分别对应表2中的试验号。由图4知,试验号1、4和8的显微组织为典型双态组织,由白色等轴初生α相和分布着细小针状次生α相的β转变组织组成,与图2a对比可知,图4a、4d和4h中的初生α相含量较多,细小针状次生α相较少,所以抗拉强度值有所降低。由图可知,当时效温度为600℃和650℃时,随着固溶温度的升高,初生α相含量不断减少,β转变组织增多,使得强度不断提高;当固溶温度为930℃和950℃时,随着时效温度的升高,β转变组织上次生α相不断长大,使得强度有所降低。

4、结束语

1)TC11钛合金双重退火和固溶时效热处理工艺获得的组织形态有所差别,固溶时效状态中的等轴初生α相少于双重退火状态且尺寸较大,而针状次生α相的含量明显多于双重退火状态,导致固溶时效强度高于双重退火的强度。

2)当固溶温度为930℃和950℃时,抗拉强度值随着时效温度的升高而降低,固溶温度为980℃时,抗拉强度值随着时效温度的升高先增高后降低;当时效温度为530℃时,抗拉强度值随着固溶温度的增高先升高后降低,当时效温度为600℃和650℃时,抗拉强度值随着固溶温度的升高而增高。

3 ) 得出3 组固溶时效热处理制度的强度值符合图样的要求范围, 组织由白色等轴初生α相和分布着细小针状次生α 相的β 转变组织组成,热处理制度分别为930℃×0.5h/600℃×6h、930℃×1h/650℃×3h和950℃×1.5h/650℃×6h,对应的强度平均值分别为1210MPa、1155MPa和1170MPa。

参考文献:

[1] 唐光听,朱张校. TC11合金在不同热处理条件下的显微组织分析[J].稀有金属,2002,26(2):146-148.

[2] 王金惠. TC11钛合金的高温变形行为及热处理工艺对合金组织性能的影响[D].长沙:中南大学硕士学位论文,2010.

[3] 姚梦,刘勇,朱景川.TC11钛合金双重热处理工艺设计[J].热处理技术与装备,2016,37(5):65-70.

[4] 张雪敏,张伟,李海峰, 等. T C11钛合金大规格环材的组织与性能研究[J].锻造与冲压,2019(19):58-61.

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