显微组织对TC4ELI钛合金常温拉伸蠕变行为影响研究

2018-02-28李有华杨蓉庆达嘎文志刚

世界有色金属 2018年23期

李有华，杨蓉，庆达嘎，文志刚

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

随着时代的发展，海洋资源开采、海洋科学探索和海洋权益维护对深海装备的需求越来越大，相应的对深海装备的工作深度和工作能力也提出了新的挑战，传统的钢制耐压结构已经越来越难以满足深海装备对容重比的要求，而钛合金以其具有高比强度、耐腐蚀、低磁性等诸多优点[1]，在深海耐压结构中替代传统材料有明显的优势，并已经在深海潜水器中得到了成功运用。

蠕变是指当固体受到恒定的外力作用时，其应力与变形随时间变化的现象[2]，王金友[3]等通过研究发现，Ti-6Al-4V钛合金在400℃高温，30公斤力/mm2，加载时间100小时的情况下，网篮组织比等轴组织有较好的蠕变抗力。Fentiman W P等[4]指出显微组织中的条状T比等轴T有较好的抗蠕变能力。H.Tanak[5]等通过实验研究发现，CP-Ti和钛合金（Ti-6Al-4V）在室温下应力水平低于屈服应力时，依然会发生明显的蠕变变形，所以钛合金在无论是受拉或耐压结构材料使用过程中必须考虑其蠕变特性。一些重要的外在因素，如加载应力、加载时间、组织结构等对合金的蠕变性能均有影响，而目前国内外对TC4ELI钛合金不同显微组织的常温拉伸蠕变特性研究报道较少，本文将重点研究双态组织和网篮组织两种不同形态显微组织在不同加载应力条件下的常温拉伸蠕变特性，获得TC4ELI钛合金材料的蠕变应变-时间曲线，为今后TC4ELI钛合金结构材料对显微组织的选择提供依据。

图1 TC4ELI钛合金原始显微组织

图2 常温拉伸蠕变试样图

表1 TC4ELl钛合金横向室温拉伸力学性能

表2 不同显微组织TC4ELl钛合金常温拉伸蠕变测试结果

1 实验材料和方法

实验用的原材料为宝鸡钛业股份有限公司经过三次真空自耗电弧炉熔炼的TC4ELI钛合金铸锭，铸锭规格Φ820mm，其主要化学成分（质量分数，%）为6.2Al，4.2V，余量为Ti，相变点为991℃。经两种不同轧制工艺获得22mm厚度规格合金厚板，原始显微组织分别为双态组织和网篮组织，如图1所示。

拉伸蠕变试样机加和试验方法按照《GB/T2039-1997金属材料单向拉伸蠕变试验方法》，试验在RD-50型蠕变试验机上进行，加载应力为0.6Rp0.2和0.8Rp0.2，保载时间150h后，绘制蠕变应变-时间曲线。

常温拉伸和压缩蠕变的试样尺寸要求和实物如图2所示，两种显微组织的横向室温拉伸力学性能测试结果见表1。

2 结果与分析

2.1 常温拉伸蠕变

TC4ELI钛合金不同显微组织在不同加载应力下的拉伸蠕变应变-时间曲线如图3所示，常温拉伸蠕变测试结果见表2。从表2可以看出，在加载应力为0.6Rp0.2，保载时间为150h的条件下，TC4ELI钛合金网篮组织的塑性伸长率为0，即没有发生拉伸蠕变变形，双态组织的塑性伸长率为0.001%，网篮组织的常温拉伸蠕变性更好。在加载应力为0.8Rp0.2，保载时间为150h的条件下，TC4ELI钛合金网篮组织的塑性伸长率比双态组织的低0.006%，表现出更好的常温拉伸蠕变性能。综上所述，在相同加载应力的条件下，TC4ELI钛合金网篮组织比双态组织的常温拉伸蠕变性能更好，主要是因为不同的组织形态具有不同的蠕变机制。双态组织中滑移变形首先是从个别α晶粒中开始，随着应变量增加，滑移将占据越来越多的α晶粒，随后才向周围的由α转变的β晶粒扩展，所以蠕变空洞形核较迟，但是空洞一旦形核，即可迅速扩展而形成准解理断裂；而在网篮组织中滑移易在晶界处产生严重的位错塞积，从而促进了蠕变空洞的形核与发展，但是混乱交织的片状α给蠕变滑移增加了难度，尽管空洞形核较早，但扩展困难，形成晶内损伤而呈现明显的解理特征。同时，双态组织和网篮组织的条束间界面相比，晶界α与基体之间的界面更易滑动和产生蠕变空洞，甚至沿晶开裂。因此，从宏观上表现出网篮组织有更低的蠕变速率。