新疆工业职业技术学院 新疆乌鲁木齐 830022
摘要:采用三辊螺旋轧机，在Tβ－40℃、Tβ－30℃和Tβ+160℃三种不同温度下对TB6钛合金棒材进行轧制，研究轧制温度对棒材组织和力学性能的影响。研究结果表明，经Tβ－40℃轧制后的组织为等轴组织，Tβ－30℃轧制后的组织为双态组织，Tβ+160℃轧制后的组织为网篮组织;具有等轴组织和双态组织的TB6钛合金棒材的拉伸强度相当，均高于具有网篮组织的，而等轴组织的塑性与网篮组织的相当，但低于双态组织的;综合分析知，经Tβ－30℃轧制后的TB6钛合金棒材的综合力学性能最优。
关键词:轧制温度;TB6钛合金;显微组织;力学性能
引言
TB6钛合金(名义成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)是一种亚稳β钛合金，钼当量约19.6，在730℃即可发生α→β相变，通过处理后极限强度可达1400MPa以上，具有密度低、强度高、耐蚀、冷加工和抗疲劳性能优异等特点，常被用来制造弹簧、石油气管路控制装置和各类紧固件等。作为β型钛合金，TB6钛合金在加工过程中具有较好的冷成形能力，但是变形温度低往往会造成合金的微观组织破碎不充分，而变形温度过高则容易引起合金在高温下形成粗大晶粒。因此在生产TB6等β钛合金时，合适的轧制温度是保证合金棒材获得良好组织和力学性能的首要条件。本研究对比了不同轧制温度对固溶态和固溶时效态TB6钛合金棒材组织和性能的影响，以获得能够满足某零件对抗拉强度大于1300MPa、屈服强度大于1200MPa且延伸率大于10%要求的轧制温度;并对该轧制温度下生产的棒材进行了不同温度的时效处理，研究了TB6钛合金在不同时效制度下组织和性能的变化规律。
1、实验
实验所用原材料为北京航空材料研究院钛合金研究所经真空自耗熔炼炉三次熔炼得到的650kgTB6钛合金铸锭，其化学成分见表1。利用金相法测得相变点温度Tβ为795℃。铸锭经过锻造锻成60mm棒坯，其组织为等轴组织，如图1所示。
三辊螺旋轧机是一种新型、高效和大压下量的轧制设备，螺旋轧制是局部循环加载的非封闭复杂体积变形过程。利用三辊螺旋轧机在Tβ－40℃、Tβ－30℃以及Tβ+160℃三种温度下将60mm棒材轧制成20mm棒材，轧制后对棒材进行固溶和时效处理，热处理制度为755℃×2h/WC+515℃×8h/AC。利用LEICADMI3000M光学显微镜对热处理后的棒材进行显微组织观察，INSTＲON5887万能材料试验机对热处理后的棒材进行室温拉伸性能测试，CamScan3100扫描电镜对拉伸断口进行分析，对比不同轧制温度对棒材组织和力学性能的影响。
2、结果与讨论
2.1轧制温度对显微组织的影响。钛合金棒材轧制过程中显微组织的变化与变形温度有密切关系，在相变点温度之上与相变点温度之下对棒材进行轧制会得到不同类型的显微组织。图2为经不同温度轧制后TB6钛合金棒材的显微组织。
经Tβ－40℃轧制后棒材的显微组织与原始组织基本相同，均为等轴组织，但轧制后的显微组织中α相含量有所减少，并且经大变形量变形后等轴α相的尺寸也有所减小。经Tβ－30℃轧制后棒材的显微组织为双态组织，由于变形温度进一步接近相变点，α相含量进一步减少，等轴α相长大，其中少量聚集长大成短棒状，尺寸比Tβ－40℃轧制后的大。经Tβ+160℃轧制后棒材的显微组织为网篮组织，轧制温度在相变点之上，α相全部转变为β相，最初变形时组织为全β相，终了变形温度在相变点之下，变形后空冷形成网篮组织。
2.2轧制温度对力学性能的影响。由成分、工艺、组织和性能四者之间的关系可知，材料的组织决定力学性能。不同轧制温度得到的TB6钛合金棒材的组织不同，因此力学性能也不相同。室温下，Tβ－40℃和Tβ－30℃轧制的棒材强度相当，高于Tβ+160℃轧制的棒材。轧制温度对棒材延伸率的影响不大，均在12.0%～16.5%之间。Tβ－40℃和Tβ+160℃轧制的棒材断面收缩率相当，但明显低于Tβ－30℃轧制的棒材。综上比较，Tβ－30℃轧制的棒材的力学性能更优。
2.3时效处理对合金组织的影响。作为亚稳β型钛合金，TB6钛合金具有淬透性好的特点，由于该合金的相变组织复杂，导致其力学性能的调整范围较宽。在固溶和时效的条件下，能够使六方结构的α相从β相中脱溶析出，得到α相和β相混合的组织，从而使合金的强度达到一个很高的水平。通常认为，亚稳β相钛合金在一定的温度下时效时，微观组织在形成α+β的平衡相之前会形成β'、ω、α相的沉淀。β'相不能增加合金的强度，而ω相虽然能够显著提高亚稳钛合金的强度，但同时会强烈降低合金的韧性。亚稳β钛合金中的α相通常被作为基体中的硬化沉淀相使用，由时效形成的α相的形状、大小和体积分数等均对TB6钛合金的强度具有重要作用。据报道，TB6钛合金在510℃时效后可形成相互交叉的α相组织。TB6钛合金在800℃轧制并固溶时效后，其显微组织遗传了其变形组织中晶粒尺寸不均一的特点，时效后的微观组织中，晶界处出现了大量的α析出物，晶界两侧的α析出物区域很宽，晶粒内也出现了较多的α析出物，一些尺寸较小的晶粒几乎完全被α析出物覆盖。随着轧制温度的升高，晶粒尺寸逐渐均匀，α析出物几乎全部出现在晶界两侧，晶界两侧析出物的区域逐渐变窄。轧制温度升至930℃时，清晰可见等轴β晶内析出细小、弥散的针状α相，并且晶界变宽。
2.4断口形貌分析。图3为经不同温度轧制的TB6钛合金棒材的室温拉伸断口形貌
其中，图3a、d是Tβ－40℃轧制棒材的断口形貌，图3b、e是Tβ－30℃轧制棒材的断口形貌，图3c、f是Tβ+160℃轧制棒材的断口形貌。从图3b可以看出，经Tβ－30℃轧制的棒材的室温拉伸断口有明显颈缩，呈杯状，断口表面平直，局部放大图如图3e所示，可见韧窝较深，分布均匀，表现出很好的塑性断裂特征。从图3a、c可知，经Tβ－40℃和Tβ+160℃轧制的棒材的室温拉伸断口没有明显颈缩，断口表面高低起伏，图3d、f中的韧窝较图3e中的浅。综合分析可知，经Tβ－40℃和Tβ+160℃轧制的棒材塑性不如Tβ－30℃轧制的棒材，这与室温拉伸数据分析结果一致。
结束语
经Tβ－40℃轧制后的棒材组织为等轴组织，Tβ－30℃轧制后的组织为双态组织，Tβ+160℃轧制后的组织为网篮组织。经Tβ－40℃和Tβ－30℃轧制的棒材的室温拉伸强度相当，高于Tβ+160℃轧制棒材的拉伸强度;Tβ－40℃和Tβ+160℃轧制棒材的塑性相当，低于Tβ－30℃轧制棒材的塑性。综合考虑，Tβ－30℃轧制的TB6钛合金棒材的综合性能最为优异。
参考文献
［1］莱茵斯C，皮特尔斯M．钛与钛合金［M］．陈振华，译．北京:化学工业出版社，2015．
［2］曹春晓．航空用钛合金的发展概况［J］．航空科学技术，2014(4):3－6．
论文作者:黄维鸽
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/26
标签：组织论文; 棒材论文; 钛合金论文; 温度论文; 断口论文; 时效论文; 合金论文; 《基层建设》2017年4期论文;