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赵子博, 男, 1986年生, 博士生
Microstructure and texture of titanium alloy are determined by thermomechanical and heat treatments and can significantly affect the mechanical properties of the final products. In this work, the microstructure and texture evolution during the heat treatment in
根据 α相形态, 钛合金显微组织大致可分为以下3类: 等轴组织、双态组织和片层组织[1,2,3,4,5,6]. 等轴组织具有良好的强度塑性匹配, 但蠕变性能、韧性和疲劳裂纹扩展抗力较差; 片层组织具有良好的蠕变性能、韧性及疲劳裂纹扩展抗力, 但低周疲劳性能及塑性较差; 介于2者之间的双态组织可获得拉伸、断裂、疲劳、蠕变性能的良好匹配, 因此多数高温钛合金均采用双态组织[2].
由于 a+ β两相及近 α钛合金具有优异的高温力学性能, 使其成为航空航天热端部件的重要结构材料[7,8,9,10]. Ti60合金是一种可在600 ℃长期使用的近 α钛合金[11,12,13]. 该合金经 a+ β两相区变形后, 通过高于终锻温度的热处理, 可以获得均匀的双态组织, 实现疲劳与蠕变性能的良好匹配.
热处理是控制近 α钛合金组织和性能的重要手段. 根据 α和 β相在相变过程中的Burgers取向关系[2], 即{110} β//{0001} α, <111> β//<
国内外研究者[1,2,3,4]对热处理温度对钛合金显微组织及其力学性能的影响进行了大量研究. 然而, 随着对钛合金使用性能要求的提高, 新材料、新技术、新工艺的广泛采用, 材料应用过程中新问题的不断涌现以及研究技术手段的进步, 钛合金显微组织与力学性能关系仍然是当前钛合金研究领域的热点[11,12]. 尤其是随着电子背散射衍射(EBSD)技术的发展完善, 为钛合金显微组织与力学性能关系的深入研究开启了新的窗口.
钛合金中存在的织构或微织构对性能有明显影响[21,22]. 较强的织构在板材中更为常见, 而在锻件和棒材中织构一直未受到人们的重视, 因此过去很长时间内钛合金织构研究的对象多为板材. 上世纪80年代随着保载疲劳(dwell fatigue)概念的出现, 钛合金锻件和棒材中存在的微织构(局部由相同或相近取向晶粒组成的“宏区”)才逐渐引起人们的重视, 目前已成为国内外研究热点[22,23,24,25,26].
本工作以2种不同规格Ti60精锻棒材为研究对象, 研究热处理温度对不同规格的Ti60棒材显微组织和织构的影响, 揭示近 α型钛合金中的织构对力学性能的影响规律, 以期为高温钛合金性能优化提供参考.
实验用Ti60钛合金采用三次真空自耗熔炼, 铸锭规格为直径220 mm, 化学成分(质量分数, %)为: Al 5.6, Sn 3.7, Zr 3.2, Mo 0.5, Ta 1.0, Si 0.37, Nb 0.4, C 0.05, Ti余量. 采用金相法测得的 β相变温度为1040 ℃. 铸锭经 β单相区开坯锻造至直径140 mm, 然后将棒材一分为二, 在1000 ℃分别经2和3火次锻造成直径为45和30 mm的棒材, 分别命名为D45和D30.
取长度为70 mm的棒材进行固溶和时效热处理, 固溶温度分别为950, 1000和1050 ℃, 保温2 h后空冷到室温, 时效制度为700 ℃保温8 h后空冷. 采用Axiovert 200 MAT金相显微镜(OM)观察显微组织, 金相试样腐蚀剂为HF:HNO3:H2O=1:1:48的溶液(体积比). 利用D8 Discover X射线衍射(XRD)仪检测 α相在{0002},
图1为2种规格Ti60棒材 D30和D45的锻态显微组织. 由图1a可见, D45棒材纵剖面显微组织主要由等轴 α相、拉长的带状 α和 β相转变组织组成; 横截面组织由等轴 α相、短棒状 α相和少量 β相转变组织组成(图1b). D30棒材纵剖面由沿轴向拉长的初生 α相和变形 α板条组成(图1c); 横截面主要由等轴 α相和变形 α板条组成(图1d).
棒材经不同温度热处理后纵剖面的显微组织如图2所示. 经950 ℃热处理后, D45和D30棒材中的 α相均出现了不同程度的等轴化现象, D30棒材 α相等轴化更明显. 1000和1050 ℃热处理后2种Ti60棒材的显微组织差异不大, 1000 ℃热处理后, 得到初生 α相约占30%的双态组织, 1050 ℃固溶处理得到原始 β晶粒尺寸约为500 μm的片层组织.
2种Ti60棒材锻态在3种热处理条件下的织构如图3所示. 由图3a可见, D45棒材锻态组织中存在的织构主要为棒材轴向与 α相的
对Ti60棒材锻态及两相区热处理组织进行EBSD分析, 结果如图4~7所示. 由图可见, 沿棒材轴向, D45棒材呈现出棒材轴向与 α相的
α+ β两相及近 α钛合金在 α+ β两相区变形过程中, 同一集束内的次生 α相具有相近的变形行为, 从而在变形欠充分的大截面棒材内产生较强的微织构[17,23]. 继续变形过程中, 同一区域具有相近取向的晶粒仍保持相近的变形行为[17], 使得小规格棒材中也同样存在较强的微织构. 高温热处理及随后的冷却过程中, α相的再结晶及 b→ α相变可产生新的晶体取向, 使微织构减弱. 在精锻过程中材料承受两向压应力和单向拉应力的应力状态, α-Ti在变形过程中主要开动柱面, 基面和锥面滑移系[21], 随着变形量的增加, 晶粒的
图8为2种规格Ti60棒材经不同温度热处理后的室温拉伸性能. 由图8a可见, 热处理温度对D45棒材的屈服和抗拉强度的影响不大, 经1000 ℃固溶后棒材的强度略高, 屈服和抗拉强度分别为1009和1105 MPa; 塑性随热处理温度的升高略有降低, 1050 ℃热处理后塑性显著下降, 平均延伸率仅为6.1%. 而D30棒材的强度随热处理温度的升高显著升高, 塑性降低也比较显著, 1050 ℃热处理后平均延伸率仅为3.3%, 但屈服和抗拉强度分别升高至1086和1144 MPa. 在1000 ℃固溶时, 2种规格Ti60棒材的室温拉伸强度和塑性可得到良好的匹配.
多晶材料的宏观力学性能与材料晶粒的晶体取向分布有着密切的关系, 特别是对于密排六方结构的 α-Ti合金, 织构对性能的影响更大. 当棒材中存在
(1) Ti60合金直径为45 mm的D45精锻棒材锻态组织中主要存在
(2) 随着热处理温度的升高, 棒材 β转变组织中
(3) Ti60精锻棒材的室温拉伸性能受合金组织类型和织构的双重影响, 但受织构影响更大; 选择合适的固溶处理温度, 获得 α相c轴与棒材轴向平行的双态组织, 可使合金强度和塑性的匹配优化.
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