热处理制度对TA11钛合金棒材组织及高温蠕变性能的影响

2013-04-01供稿裴莉薛虎明雒水会马元杰魏高艳PEILiXUEHumingLUOShuihuiMAYuanjieWEIGaoyan

金属世界 2013年5期

供稿|裴莉, 薛虎明, 雒水会,马元杰, 魏高艳 / PEI Li, XUE Hu-ming, LUO Shui-hui, MA Yuan-jie, WEI Gao-yan

TA11(Ti-8Al-1Mo-1V)钛合金为耐热钛合金，是美国在20世纪50年代开发出来的一种近α型钛合金，其热稳定温度可达450℃。该合金不仅在高温下具有良好的热稳定性，高的蠕变性能和优良的阻尼性能，而且有较高的高温抗拉强度。该合金有较高的α稳定元素Al，而β稳定元素Mo、V的含量较少，由于保持了α型合金的特点，所以有良好的高温蠕变性能和焊接性，又具有某些α+β型合金的特性。近α型钛合金是工作在450℃以上的高压风机叶片选材的重点。

蠕变，是指在一定的温度和较小的恒定外力(拉力、压力、扭力)作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。严格来说，蠕变可以发生在任何温度，但是只有当T/TM大于0.3时，蠕变现象才会明显。蠕变的研究对于金属材料的高温使用有着重要的意义。

本文探讨了热处理制度对TA11钛合金棒材组织及高温蠕变性能的影响，对比分析了不同热处理制度下的室温力学性能和高温(425℃)蠕变性能及组织特征，为该合金的批量化生产提供一定的理论基础和热处理制度参考。

实验

实验选用经三次真空自耗炉熔炼的TA11钛合金铸锭，主要化学成分符合专用标准的要求(见表1)，相变温度为1025～1035℃，铸锭经锻造开坯至φ35 mm，并最终在φ250轧机轧制成φ21.5 mm的棒材，棒材显微组织为不均匀β基体分布着初生α相，初生α含量在30%～40%，α相相貌为等轴状，显微组织与其他近α型合金相似(显微组织如图1所示)。

表1 TA11合金的化学成分(质量分数，%)

表2 热处理制度

经轧制的φ21.5 mm棒材按表2所列的不同的热处理制度进行固溶时效热处理后，取样测试其室温拉伸和高温蠕变性能。金相试样从固溶时效热处理后的棒材上切取，试样腐蚀剂为HF、HNO3和H2O的混合液，显微组织在金相显微镜(型号XJL-03)上观察。

结果与分析

显微组织

图1 TA11合金棒材显微组织(R态)

在三种不同热处理制度下，试样的显微组织依次如图2(a)、(b)、(c)所示。可以看出，在(a)热处理制度下，棒材显微组织为等轴初生α和转变β，并有少量的次生α出现，等轴初生α分布不太均匀，其含量占30%～40%，为典型的双态组织；在(b)热处理制度下，其组织也为双态组织，其次生α的含量有所增加，等轴初生α分布比(a)热处理制度中更均匀，含量没有明显改变；在(c)热处理制度中，其显微组织跟前两种热处理制度比较，等轴初生α和转变β分布明显均匀，等轴α含量变化不大，由于固溶温度高，初生α晶粒较(a)、(b)制度稍大。相比较而言，在相同的固溶温度下，冷却速度越快，晶粒分布越均匀，高倍组织稳定性越好；在相同的固溶冷却方式下，固溶温度越高，等轴α含量变化不大，但分布越来越均匀，其双态组织形貌越好。

高温蠕变和室温力学性能

不同热处理制度下，检测得出的高温蠕变性能见表3。从表3可以看出，在(a)和(b)热处理制度中，高温蠕变的残余变形大于0.2%，不符合标准，室温力学性能勉强符合标准要求；在(c)热处理制度中，稍大的晶粒有利于高温蠕变的残余变形达到标准，室温力学性能也符合标准。相对比而言，在相同的固溶温度下，冷却速度越快，高温蠕变性能越好，但高温蠕变的残余变形大于0.2%，不满足标准要求；材料的室温强度相对有所提高，但塑性下降。在相同的固溶冷却方式下，固溶温度越高，其高温蠕变性能越好，室温强度越高，材料的综合性能越好。