锻造和热处理工艺对TC4钛合金显微组织和冲击韧度的影响.pdf

试验研究收稿日期:作者简介:苏化冰()男陕西西安人高级工程师主要从事能源和航空航天零件的锻造技术研究工作联系电话:.通讯作者:尹林()女高级工程师主要从事汽轮机及燃机叶片的材料和热处理等技术工作联系电话:.锻造和热处理工艺对 钛合金显微组织和冲击韧度的影响苏化冰尹 林江红军秋大闯(无锡透平叶片有限公司江苏 无锡)摘 要:研究了热处理和锻造工艺包括 空冷 空冷 炉冷至 空冷 水冷 空冷 水冷 空冷分别在 、锻造后空冷、风冷和水冷对 钛合金显微组织及冲击韧度的影响 结果表明:随着锻造温度的升高合金中初生 相含量减少晶粒尺寸减小随着锻造后冷却速率的提高合金中初生 相含量增多晶粒尺寸减小退火炉冷的合金冲击韧度最佳且初生 相含量和晶粒尺寸最大随着退火温度的升高合金中初生 相含量无明显变化而晶粒尺寸略有增大时效温度从 提高至 合金中初生 相含量提高了约平均晶粒尺寸降低了固溶随后时效处理的合金中初生 相的含量和晶粒尺寸远小于退火处理的合金关键词:锻造热处理 钛合金显微组织冲击韧度中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.()()()()()().:热处理 年第 卷 第 期 引言()合金属于 型钛合金比强度高、耐蚀性好被广泛应用于航空、航天及船舶制造等领域 不同工艺锻造或热处理的 钛合金 和 相的数量、比例、形态和性能均有较大差异 锻造的 钛合金叶片需进行热处理以获得所需的组织和性能 为确保力学性能符合要求可通过热处理控制 相的含量、尺寸和形态 王晓燕等通过热处理来控制钛合金中初生和次生 相的含量改善材料的力学性能 冲击性能是 钛合金锻件的重要质量指标但对 相的含量及形态对钛合金冲击韧度的影响的研究较少 本文研究了锻造温度、锻后冷却速率和热处理工艺对 钛合金显微组织和冲击韧度的影响 试验材料和方法试验用 钛合金采用真空自耗电弧炉熔炼并锻造成 棒材化学成分如表 所示 表 试验用 钛合金棒材的化学成分(质量分数)单位:.从棒材的/半径处取样制备夏比 型缺口冲击试样尺寸为 按表 工艺进行热处理 按/进行冲击试验 按/采用 图像分析仪对冲击试样进行金相检验试样用 氢氟酸 硝酸 水的混合液浸蚀采用平均值测量法评定初生 相晶粒度表 热处理工艺编号工艺 空冷 空冷 炉冷(./)至 空冷 水冷 空冷 水冷 空冷 随后研究了锻造温度、锻后冷却方式对合金显微组织的影响 叶片坯料的制作工序为:下料制坯锻造热处理检测 表 为锻造工艺 组试验叶片的热处理工艺均为 保温 空冷从叶片锻件根部取样进行横向金相检验 图 为 合金叶片锻件的外形图 合金叶片锻件的外形 试验结果与分析.热处理工艺对冲击性能和显微组织的影响.冲击性能图 为经不同工艺热处理的 合金的室温冲击性能 炉冷的合金冲击性能较好比 空冷的合金提高了约 空冷的合金冲击性能无明显变化 固溶处理随后 时效的合金冲击性能较好与 时效的合金相比冲击性能提高了约 表 锻造加热和冷却工艺编号工艺 空冷 风冷 水冷 空冷 空冷图 采用不同工艺热处理的 合金的冲击韧度 钛合金的冲击韧度与其抗临界裂纹形成和抗裂纹扩展性能有关 合金固溶处理前组织为典型的 相冷变形性能和耐磨性较差对其进行固溶处理是为了获得稳定的等轴 相或弥散的马氏体 相和亚稳定 相 退火后冷却越快相越多 相含有大量位错冲击韧度较差 退火炉冷时 相中次生 相明显变宽炉冷产生的次生 相是韧性相 在退火炉冷形成的组织中裂纹扩展热处理 年第 卷 第 期至次生 相时将改变方向从而提高材料韧性因此退火炉冷的合金冲击韧度最高.显微组织图 为经不同工艺热处理的 合金中初生 相的含量和尺寸 由图 可知随着退火温度的升高合金中初生 相含量没有变化其平均直径略有增大与炉冷的合金相比 空冷的合金初生 相 晶 粒 较 粗 大 时 效 温 度 从 提 高 至 合金中初生 相含量提高了约 平均直径降低了 固溶和时效处理的合金显微组织中初生 相含量及平均直径远小于退火处理的合金图 为经不同热处理工艺处理的 合金的显微组织 普通工艺退火的 合金显微组织为球状 相细小次生 相晶间 相固溶和时效处理的合金则为球状 细条状 相固 相 固溶处理形成的亚稳定 相在热力学上是不稳定的时效加热时将发生分解分解产物为平衡态 从图 可以看出退火态合金中初生 相含量较多晶粒较粗大且等轴化程度优于固溶时效处理的合金 随着时效温度的升高组织粗化析出的 相含量增多尺寸增大图 经不同工艺热处理的 合金中初生 相的含量和尺寸图 保温 空冷()、保温 空冷()、保温 炉冷至 空冷()、保温 水冷随后 保温 空冷()、保温 水冷随后 保温 空冷()的 合金的显微组织.锻造工艺对合金显微组织的影响图 为不同温度锻造随后退火的 合金叶片的显微组织为典型的双相组织 不同温度锻造的 合金叶片初生 相含量及其平均直径如图 所示 这些结果表明随着锻造温度的升高叶片中初生 相含量减少、其晶粒尺寸减少 这是因为 已接近 钛合金的相变温度大部分初生等轴 相已转变为 相图 为 锻造随后退火的 合金叶片的显微组织也是典型的双相组织 锻后以不同方式冷却的叶片中初生 相含量及其平均直径如图 所示 这些结果表明随着锻后冷却速度的提高叶片中初生 相平均直径减小水冷的叶片初生 相尺寸明显小于风冷和空冷的叶片且水冷的叶片初生 相被明显拉长说明锻后冷却速度对叶片初生 相的形态有较大影响而对初生 相含量的影响不明显 这是由于初生 相含量主要受温度的影响热处理 年第 卷 第 期图 ()、()和 ()保温 空冷的 合金叶片的显微组织图 不同温度锻造后空冷的 合金叶片中初生 相的含量和尺寸图 锻造后空冷()、风冷()和水冷()的 合金叶片的显微组织图 锻造后以不同方式冷却的 合金叶片中初生 相的含量和尺寸 结论()退火后炉冷的 合金冲击韧度最好初生 相含量最多、尺寸最大()随着退火温度的升高合金中初生 相含量没有变化平均直径略有增大 退火炉冷的合金初生 相晶粒较粗大时效温度从 提高至 合金中初生 相含量提高了约 平均直径降低了 固溶和时效处理的合金中初生(下转第 页)热处理 年第 卷 第 期图 弹簧表面的机械损伤()和白亮色组织()改进措施提高表面质量 消除铸坯表面的毛刺、飞边和振痕等缺陷 轧制过程中粗轧阶段采用高压水除鳞清除掉轧件表面的氧化皮避免喷丸时表面产生凹坑避免绕制时发生机械损伤和热处理时发生表面脱碳参考文献 史美堂.金属材料及热处理.上海:上海科学技术出版社.张继魁张国亮.重型汽车弹簧钢性能及应用.重型汽车():.郭泽尧邢耀进.弹簧钢疲劳寿命不稳定原因分析.金属材料与冶金工程():.夏永康赵庆凯曹掌兵等.柱塞弹簧的超声检测分析.中国设备工程():.孟耀青郑永瑞昊乾.汽车用弹簧钢线材夹杂物的控制.钢铁研究学报():.王飞.弹簧钢棒线材质量投诉的分析研究.理化检验物理分册():.(上接第 页)相含量及平均直径远小于退火的合金()随着锻造温度的升高合金中初生 相含量减少 相晶粒变细()随着锻造后冷却速率的提高合金中初生 相平均直径减小锻后水冷的合金初生 相晶粒明显小于风冷和空冷的合金且水冷的合金初生 相明显拉长参考文献 胡清熊.钛的应用及前景展望.钛工业进展():.李梁孙建科孟祥军.钛合金的应用现状及发展展望.钛合金工业进展():.王金友葛志明周彦邦等.航空用钛合金.上海:上海科学技术出版社.陈慧琴林好转郭灵等.钛合金热变形机制及微观组织演变规律的研究进展.材料工程():.刘婉颖朱毅科林元华等.热处理对 钛合金显微组织和力学性的影响.材料导报():.王晓燕刘建荣雷家峰灵等.初生及次生 相对 合金拉伸性能和断裂韧性的影响.金属学报():.(上接第 页)参考文献 王刚.铝包殷钢芯超耐热铝合金导线在工程中的应用.天津电力技术():.彭会芬孙中华.高强度因瓦合金的发展现状及展望.河北冶金():.向雪梅江河董建新等.难变形高温合金 的铸态组织及均匀化.金属学报():.柴国明陈希春郭汉杰.高温合金中一次碳化物形成规律.中国有色金属学报():.王成德.高架送电电缆用高强度低膨胀合金.金属材料研究():.陆建生毛彭龄倪和勇等.低膨胀合金碳化物析出规律的研究.宝钢技术():.樊红亮曾清华赵爱民.高碳铬钢凝固及热处理组织演变规律.钢铁研究学报():.刘江等.低膨胀合金的应用和发展.金属功能材料():.().():.热处理 年第 卷 第 期