锻造工艺对 Ti-6321合金棒材显微组织与力学性能的影响

张 奕,庾高峰,杜予晅,雷锦文,唐晓东,刘向宏,张丰收

(西部超导材料科技有限公司,陕西 西安 710018)

锻造工艺对 Ti-6321合金棒材显微组织与力学性能的影响

张 奕,庾高峰,杜予晅,雷锦文,唐晓东,刘向宏,张丰收

(西部超导材料科技有限公司,陕西 西安 710018)

研究了不同锻造工艺对 Ti-6321合金棒材组织与力学性能的影响。结果表明:Ti-6321合金棒材经常规锻造后为等轴组织,经近β锻造后为双态组织,经β锻造后为网篮组织;双态组织不仅具有与等轴组织和网篮组织相当的强度和塑性,而且冲击韧性可达到 850 kJ/m2以上,明显高于等轴组织和网篮组织。

Ti-6321钛合金;显微组织;力学性能;冲击韧性

1 前 言

钛合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁性等优点,是理想的海洋用金属材料之一。在俄罗斯,钛合金已经被大量应用于舰船工业,甚至制造了全钛的潜艇、深潜器。美国也制造了全钛的深潜器。Ti-6321合金(Ti80合金)是我国自行研制的一种近α型钛合金,名义成分为 Ti-6A l-3Nb-2Zr-1M o,具有中等室温强度,良好的焊接性能和耐蚀性[1],是海水环境下的理想结构材料。该合金主要应用于潜艇和水中兵器的受力构件、螺栓、轴以及耐压壳体等[2-3]。目前,我国对 Ti-6321合金的研究主要集中于基础理论研究和中试研究,而对于应用研究相对较少。

舰船用结构部件在使用中需要承受大的冲击载荷,对 Ti-6321合金的冲击韧性要求较高 (不小于585 kJ/m2),因此需要了解各种组织的 Ti-6321合金冲击性能。本文通过不同热加工工艺处理 Ti-6321合金棒材,以期获得一种具有高的冲击性能和良好的综合性能匹配的显微组织,为 Ti-6321合金棒材的工业生产提供参考。

2 实验材料及方法

实验材料为西部超导材料科技有限公司经 3次真空自耗电弧熔炼的 Ti-6321合金铸锭。经1 600 t压机在相变点以上开坯锻造,充分破碎铸态组织后,分别采用在相变点以下的常规锻造、近β锻造、β锻造 3种锻造工艺将合金坯料锻造成直径为φ150mm的棒材。棒材经900℃×2 h+空冷退火后,利用 ZW ICK/150万能拉伸试验机进行性能测试,并采用OLYM PUS立式金相显微镜对显微组织进行观察分析。

3 结果与分析

3.1 棒材在不同锻造工艺下的显微组织

图1为采用不同锻造工艺获得的 3种显微组织。其中,常规锻造工艺获得了典型的等轴组织,转变β基体上分布着等轴α相,等轴α相含量达到 80%以上,且等轴化程度较好;近β锻造工艺获得的组织为转变β基体上分布着α相等轴组织,等轴α相含量达到 30%左右,转变β基体中的α相平行成束,属于典型的双态组织;β锻造工艺获得了无等轴α相存在的网篮组织,转变β基体上条状的α相纵横交织排列。

图1 不同锻造工工艺获得的 Ti-6321合金金相照片: (a)常规锻造;(b)近β锻造;(c)β锻造Fig.1 Metallographs of Ti-6321 alloy in different forging process:(a)normal forging;(b)nearβforging;(c) βfo rging

3.2 棒材在不同锻造工艺下的力学性能

Ti-6321合金不同组织对应的力学性能见表1。由表1可以看出,3种不同组织的抗拉强度和屈服强度基本处于同一水平:网篮组织的拉伸强度略高,而塑性略低;等轴组织和双态组织的强度和塑性差别不大,等轴组织略高;3种组织的冲击韧性差别较大,双态组织的冲击性能明显高于网篮组织和等轴组织。

表1 Ti-6321合金 3种典型组织的力学性能Table 1 Mechanical properties of Ti-6321 alloy with three typical microstructures

3.3 组织与力学性能分析

根据塑性变形的相关理论,片状组织和等轴组织都能使材料具有较好的强度和塑性,但等轴组织抵抗裂纹扩展的能力较弱,原因是裂纹易于穿过晶界或α片,沿着主裂纹运动方向扩展,因而造成等轴组织的冲击韧性较低[4]。图1a中等轴α相含量达到80%以上,这也与其冲击性能较低相符。图1b中既有等轴α,又有细小的片状α,30%左右的等轴α晶粒起到变形协调作用,因此具有与等轴组织相当的强度和塑性水平,而 50%～60%网篮交织的细小片状α能不断改变裂纹扩展的方向,使得双态组织表现出较高的冲击韧性。研究认为双态组织的综合性能较好,不仅有较高的断裂韧性,而且还能承受较大的变形抗力[5]。

网篮组织(见图1c)在拉伸变形初期就会出现粗滑移带和微区变形不均匀而促使空洞提前形成和发展,从而导致试样过早断裂,造成材料塑性较差。但网篮组织由于片状α集束较多,而且方向不同,裂纹只能随着α集束位向的变化不断改变扩展方向,因而扩展路径曲折,分支多,使其冲击韧性较好。

4 结 论

(1)Ti-6321合金铸锭经常规锻造得到等轴组织,经近β锻造得到双态组织,经β锻造得到网篮组织。

(2)3种组织的抗拉强度和屈服强度基本处于同一水平,网篮组织的强度略高,而塑性略低,等轴组织和双态组织的强度和塑性差别不大。

(3)双态组织在保证一定的强度和塑性的同时,具有较高的冲击韧性,可达到 850 kJ/m2以上,远远高于等轴组织和网篮组织。

[1]李梁,孙建科,孟祥军.通过热循环变形改善 Ti80合金的超塑性[J].材料开发与应用,2005,20(6):1-8.

[2]蒋鹏,孟宪亮,刘茵琪,等.Ti80合金锻造工艺对显微组织和性能的影响 [J].稀有金属材料与工程,2005, 34(增刊 3):286-288.

[3]曹振新,张必强,毛彭龄,等.STi80船用钛合金研究[J].钛工业进展,2003,20(6):22-25.

[4]于卫敏,吴跃江,潘跃进.锻造温度对 BT25钛合金组织和性能的影响[J].热处理,2009,24(4):36-40.

[5]李晓芹.锻造加热温度对 TC11合金组织性能的影响[J].热加工工艺,1999(3):30-32.

Effect of Forging on Microstructuresand Mechanical Proper ties of Ti-6321 Alloy Bar

Zhang Yi,Yu Gaofeng,Du Yuxuan,Lei Jinw en,Tang Xiaodong,Liu Xianghong,Zhang Fengshou
(Western Superconducting Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China)

The mechanical properties of Ti - 6321 alloy with three typical microstructures, i. e. equiaxed, basketweave and duplex microstructure have been investigated in this paper. The result shows that the strength and plasticity of Ti - 6321 alloy with duplex microstructure are equal to those of equiaxed microstructure, but the impact toughness of the former is much higher than that of equiaxed and basketweave microstructure.

Ti-6321 alloy;microstructure;mechanical properties;impact toughness

2010-06-12

张 奕(1981-),男,工程师,电话:029-86538739。