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不同热处理下钛合金Ti—Cu—Fe—Ni性能研究

2015-04-29丁佳伟

中国机械 2015年10期
关键词:组织结构钛合金热处理

丁佳伟

摘要:研究不同热处理下Ti-Cu-Fe-Ni钛合金的组织结构性能。实验SEM结果表明,Ti-Cu-Fe-Ni合金在直接时效处理条件下结合较为均匀紧密,而预先30分钟固溶处理再时效处理后明显形成了网篮组织,其力学及蠕变性能提升最明显。

关键词:热处理;钛合金;组织结构;网篮组织

1.钛及其合金的性质与应用

钛是一种化学性质稳定的金属,金属材料领域围绕这种金属展开的研究很多。首先单金属钛方面就有学者合成出纳米结构钛,如纳米钛溶胶,被广泛应用于陶瓷、塑料、涂料、化妆品等行业[1]。还有学者通过刻蚀等工艺制备出多孔钛材料,被应用于化学催化领域,作为催化剂使用过程中,发现钛材料具有很高的使用寿命及安全可靠性。近来,钛合金成为了研究热点,因为不同金属结合的合金具备每种金属自身的优势:如使熔点降低,便于铸造成型,增加某些特殊性能,合金的硬度大于其组成的金属等。

钛合金主要分为α型、α+β型和β型三大类。钛合金具有高强度、优异的力学性能、耐腐蚀、耐热、均匀性高、力学性能达标,被广泛应用于飞机发动机压气机零部件。超高强度钛合金在航天飞机中的应用概率越来越高,成为衡量战斗机先进性的一个重要标准[2]。进一步提高钛合金的比强度,对于减轻飞机重量有重大的战略意义,是未来航天发展的方向。

单金属钛或者二元钛合金使用成本较高,经济效益低,因此在人民生活领域的推广受到限制,目前仅仅在军事航空领域应用比较广泛。随着研究的深入,人们根据具体的设计和使用性能要求,在充分考虑到经济成本的情况下,相继研究合成了铝基、镍基、铜基、铁基、钢基、锌基和锡基的多种金属基材的复合材料,与单纯钛材料相比既具有优异的力学性能,又具有良好的耐磨、耐高温和一定的耐蚀性,因此是一种优良的廉价复合金属材料。

2.钛合金的热处理工艺概述

钛合金的热处理工艺常见有退火处理、固溶时效处理、形变热处理和化学热处理,固溶时效处理是钛合金的典型热处理方法。退火处理应用范围广泛,几乎可适用于各种类型的钛合金。固溶时效热处理分为固溶处理和时效处理两个过程,固溶处理能够有效减少热加工过程中所产生的组织不均匀性。固溶处理虽然不能提高合金强度,但其对后面的时效处理强化效果有明显的影响。固溶需考虑的因素主要是固溶温度、保温时间、冷却方式。固溶处理后淬火主要是为了保留在α型与β型相变过程中产生的亚稳定相,因为这些亚稳定相在随后的时效过程中能分解成许多不同的形态,对钛合金的力学强度转变起到至关重要的作用。形变热处理是将金属的塑性变形,如锻造、轧制、挤压等,同热处理过程有机结合起来,这一过程可安排在同一工艺周期内完成,也可在不同时间周期内进行。通过形变热处理这一过程,可综合发挥形变强化和热处理强化的双重优势,最大程度避免两种工序自身造成的品质缺陷,是提高钛合金综合使用性能指标如蠕动性,行之有效的方法。

3.新型钛合金Ti-Cu-Fe-Ni的制备及热处理工艺

(1)分别称取0.12克FeSO4、0.08 克 CuSO4、0.04克NiSO4于50 mL的烧杯中,加入50 mL的去离子水,搅拌均匀。

(2)以海绵钛为阴极,碳棒为阳极,恒电流10 mA下,在步骤(1)的溶液中电沉积80 min,得到Ti-Cu-Fe-Ni合金。

表1 Ti-Cu-Fe-Ni合金不同热处理工艺

4.不同热处理前后Ti-Cu-Fe-Ni合金组织结构变化

4.1直接时效后合金的 SEM 分析

直接时效处理其实属于形变热处理,在440℃将Ti-Cu-Fe-Ni合金处理12小时。对比时效处理前后扫描电镜图如图1所示。时效处理前所形成的钛合金比较分散,结合松散,而经过直接时效处理后钛合金颗粒明显结合均匀而又紧密。另外复合材料的强度也取决于颗粒的直径、间距,从这形貌可以看出直接时效处理后颗粒小,间距小,具有更强的力学特性。

图1 时效处理后Ti-Cu-Fe-Ni合金SEM             图2 固溶+时效处理后Ti-Cu-Fe-Ni合金SEM

4.2固溶+时效处理后合金的 SEM 分析

金相法测定Ti-Cu-Fe-Ni合金相变点约为860 ℃ [3],在相变点温度860 ℃固溶处理30分钟后再时效处理12小时,固溶+时效处理前后扫描电镜图如上图2所示。固溶+时效处理后钛合金结合十分紧密,相互交织成网篮组织,蠕动性能及力学强度都得到很大提高,这源于固溶处理与时效处理有效的结合。

5. 结论

对比直接时效热处理与固溶+时效处理对新型钛合金结构性能影响。这两种方式热处理后Ti-Cu-Fe-Ni合金颗粒结合的均匀紧密,而在固溶+时效处理后Ti-Cu-Fe-Ni合金形貌变为典型的网篮组织,力学及蠕变性能提升最明显。

参考文献:

[1]张喜燕, 赵永庆, 白晨光等. 钛合金及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005

[2]毛彭龄.两相钛合金的相变特征和热处理规范[J].上海钢研,1995,(3):50-58.

[3]吴晓东,葛鹏, 毛小南.BT22 钛合金相变点的测定[J]. 热加工工艺 ,2009,38(2):124-125.

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