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热处理制度对Ti-5111 合金棒材组织与性能的影响

2022-08-06周娜宋蕊池李巍王小翔李瑞宝鸡钛业股份有限公司

锻造与冲压 2022年15期
关键词:断口钛合金时效

Ti-5111 合金名义成分为Ti-5Al-1Mo-1V-1Zr-1Sn,是美国研发的一种低成本钛合金,其含有高浓度α 稳定元素(5%Al)和较低含量β 稳定元素,如V、Mo,属于近α 合金。Ti-5111 合金强韧性高、可焊接性良好,抵抗海水腐蚀能力优异,且成本低于同特性(例如Ti6Al4V ELI)的钛合金,因此在高性能潜艇机械和结构部件中具有重要的应用价值,目前它已经被美国应用于一系列海军服役设备中,例如水下无人车辆外壳。为了将其应用至更多零部件,更深入地了解热处理工艺对Ti-5111 组织和性能的影响显得非常必要,这也是本文研究的目的。

在综合管廊智能化系统研究中,国外的研究起步较早。国外智能化管廊的发展中,具有以下几个特点:(1)在电子技术飞速发展的过程中,获得飞速发展;(2)系统发展较为完善,形成了标准化的管理体系;(3)在实际运行过程中,具有较好的效果。我国在综合管廊智能化系统方面的研究,尽管已经取得了一定的成就,但依然存在不足。我国综合管廊智能化系统的发展过程中,主要表现在以下几方面:(1)起步晚且发展时间较短;(2)起点较高,且发展较为迅速;(3)大部分研究是在借鉴国外已有研究的基础上进行,因此,在运行效果方面,明显不完善。其中,专业技术人员缺乏和管理模式滞后均是导致运行效果不理想的重要原因。

本研究选用经自由锻造制备的

47mm 的Ti-5111 精锻棒材,经过普通退火、不同的固溶时效制度处理,对各自对应的组织和性能进行检测,分析研究了不同的热处理制度对Ti-5111 棒材组织和性能的影响。

试验

试验材料

本次试验选用经过二次真空自耗电弧熔炼的Ti-5111钛合金铸锭,其相转变温度为975℃~985℃,化学成分满足ASTM 标准要求,如表1 所示。

瓦克有机硅精密薄膜是纯度为100%的超薄有机硅膜。这种薄膜介电强度高达100 kV/mm以上。因其优异的电子与机械性能、稳定性和环境相容性,瓦克有机硅精密薄膜可作为电活性聚合物(EAP)用于智能可穿戴产品和海浪能发电。

加工主要设备

从图4Ti-5111 合金棒材在不同热处理制度下的冲击性能变化趋势可以看出,合金的锻态冲击性能较低,随着退火温度的升高,冲击性能逐渐上升。930℃时,冲击吸收功可达到80J。退火温度超过相变点后,冲击性能又降低。R 态及经单重退火处理后,V 形缺口试样冲击功均可达50J 以上,表现出良好的冲击性能。固溶温度为930℃,经不同时效温度热处理。时效温度为530℃时,冲击吸收功达到62J。随着时效温度升高,冲击性能大幅度下降。

韩城区块2015年以来累计压裂115口井259层,其中有21口井压裂时波及邻井。受压裂波及影响的邻井36口井39井次,受影响前日总产气量58 960 m3,目前日总产气量25 336 m3,减少33 624 m3;受影响前平均日产水量5.05 m3,目前平均日产水量6.62 m3(表1),对生产影响较大。

试验方法

对经9 种热处理后的试样进行室温力学性能检测,室温拉伸性能、冲击功变化趋势见图4。从图4Ti-5111 合金棒材在不同热处理制度下的室温拉伸性能可以看出,合金在锻态时,屈服强度和抗拉强度均超过热处理后的强度,抗拉强度约为940MPa。随着热处理温度的升高,室温抗拉强度R

、屈服强度R

均呈下降趋势,伸长率A、断面收缩率Z 整体呈上升状态。750℃热处理后,棒材的抗拉强度下降30MPa,塑性轻微上升;930℃热处理后,抗拉强度降低约40MPa,塑性相对变化不大。1000℃热处理后,强度呈明显上升的趋势,R

值约945MPa,比R 态提高5MPa,塑形变化却急剧下降,这是因为热处理工艺超过相变点,形成魏氏组织,密集排列细长的次生α 相增加了强度,而材料的塑性除了与再结晶β 晶粒尺寸有关外,还与晶界α 相有关。片状组织中的一定厚度的连续晶界α 相,为显微孔洞的形核长大到临界尺寸提供了一条有利途径,从而产生晶间断裂,使片状组织的塑性大幅度低于等轴组织和混合组织。

固溶温度为930℃不变时,随着时效温度的升高,抗拉强度及屈服强度变化不明显,伸长率、断面收缩率呈现出先增后减的趋势。时效温度较低时,次生α 相呈弥散的针状析出。随着时效温度升高,弥散度增大,从而强化效果增加,而温度过高时。针状α 相获得更大的驱动力,从而发生扩散使得相界发生迁移,形成尺寸较大的片状α 相,从而强化效果反而下降。

结果与讨论

不同热处理制度对组织的影响

固溶时效为钛合金中常用的一种热处理制度。固溶即为在高温加热过程中,使得合金元素固溶至基体中,随后在快冷过程中发生非平衡转变,从而形成过饱和固溶体,紧接着在随后的时效过程表中使饱和度降低,从而析出第二相。综合考虑普通退火后的力学性能检测结果,选定930℃作为第一重固溶温度。钛合金的时效主要是依靠β 相在时效过程中析出弥散的α 固溶体,使合金得到强化。然而,哪个时效温度才能达到强度和冲击韧性的最佳配合?本研究分别选择时效温度530℃、560℃、590℃、620℃,进行进一步热处理制度摸索。图 2(f)、图2(g)、图2(h)、图2(i)为不同时效温度下的显微组织形貌。可以看出,随着时效温度的提高,整体显微组织仍是双态组织,初生α 相含量变化不大。

图2(a)、 图2(b)、 图2(c)、 图2(d)、 图2(e)为合金棒材在不同固溶温度下的显微组织,对应的不同组织中初生α 相含量变化趋势见图3。可以看出,试样分别在750℃、800℃、930℃、950℃退火后,棒材显微组织均为双态组织,即由初生α 相和β 转变相组成。随着温度的升高,初生α 相含量逐渐减少,β 转变组织逐渐增多。退火温度为750℃时,组织中含有约55%的初生α 相。温度为930℃时,初生α相持续向β 相中溶解,初生α 相减少为50%,且α 相形态由拉长状逐渐转变为球化程度较好的等轴状。温度升至950℃时,初生α 含量减少至45%,β 转变相中出现少量细长的次生α 相。这是由于在普通退火过程中,随着温度的增高,α 相溶解成为高温过饱和固溶体,初生α 相不断溶解于β 相中,因此含量相应减少。

(1)中国对 “一带一路”沿线国家机械运输设备产品出口的种类比较丰富,且在各国的分布差异在逐步缩小。从图1中可以看到,2007~2017年,扩展边际的核密度图峰值均接近于1,基本在 (0.9~1)之间,这说明中国在 “一带一路”沿线国家的出口种类比较齐全。2007~2012年,核密度图的峰值越来越高且曲线位置微微右移,说明中国对 “一带一路”沿线国家的出口产品种类差距越来越小;由于2012~2016年机械行业市场低迷,所以核密度图的峰值波动下降,意味着各国的扩展边际差距稍有变化,但变化幅度并不大。2017年核密度图的峰值稍有升高,机械行业市场稍有回暖。

Ti-5111 合金棒材经不同热处理制度下的显微组织见图2。

当加热温度升至1000℃(α+β/β 相转变温度10℃~15℃以上)时,得到魏氏组织(图2e),初生α 相大部分转化为原始β 相,α 晶界及晶内片层α 非常薄,晶内由不同细长的α 集束组成,典型的α 板条被保留的β 层所包围,β 层富集于β 稳定元素中。这些层的形成是β 稳定元素在迁移界面之前扩散的结果。由此可见,热处理制度对 Ti-5111钛合金的组织状态和相比例有一定的影响,初生α相的含量和次生α 相的比例及形状因退火温度改变而得到改变。

不同热处理制度对力学性能的影响

Ti-5111 铸锭经单相区开坯,经两相区多火次自由锻造变形,最后通过径向锻造至

47mm 精锻棒,其显微组织如图1 所示。由图1 可见,合金组织由拉长的条状初生α 相和少量β 转变组织组成,初生α 相含量大约为75%。

热处理试验在箱式电阻炉中进行,表2 为试验中采用的几种热处理方案。经热处理后,使用线切割切取规格15mm×15mm×80mm 的室温拉伸试样,15mm×15mm×20mm 的显微组织试样,15mm×15mm×60mm 的室温冲击韧性试样(开口类型为“V”口)。以热态作为基准,检测各组对应的力学性能和组织形貌。通过分析对比,研究不同的组织性能如何随热处理温度的变化而变化。检测显微组织采用Axiovery 200 MAT 光学显微镜,利用Clemexe成像软件配合光学显微镜确定显微组织中初生α 相的体积分数,室温拉伸性能检测使用Instron 5885 电子万能材料试验机,室温冲击韧性使用JNS-300 摆锤式冲击试验机。

试验中所用到主要加工设备为80/100MN(10000t)油压快锻机、2500t 油压机、电阻炉、SXP-13 精锻机。

为了更好的分析热处理制度对Ti-5111 合金棒材冲击性能的影响,对个别冲击试验断口形貌进行分析,见图5。从图5 中可见,930℃,950℃,热处理后的冲击断口形貌差异不大,断口相对平直,呈灰色,1000℃热处理后的断口非常粗糙,部分呈现出金属光泽。图为冲击试样断口的SEM 照片。从图中可见,断口韧窝分布相对均匀,1000℃处理后的断口韧窝数量较少,且可见解理台阶以及河流花样。材料的韧性除与α 相比例有关外,还和其形貌有关。930℃处理后的双态组织,冲击性能最好,1000℃处理后,可能片状α 相的位向与主裂纹扩展方向相近,裂纹沿α相片间通过,因此冲击性能最差。

结论

⑴Ti-5111 钛合金棒材在九种热处理制度下性能均符合标准的要求。

运用苗头预测法是目前解决劳动争议纠纷的一种非常重要、有效的方法。由于我国用人单位利益和要求日趋多元化,使得我国目前劳资纠纷表现为易激化的特点。纠纷不断增多,新的、复杂的纠纷不断出现,有些纠纷极易出现反复,难以调解。成功地运用苗头预测法能够主动地掌握这些纠纷的发展态势,面对可能发生的复杂情况可以及时采取措施并解决,从而预防复杂、激化、严重态势的发生。

⑵在750℃、800℃、930℃、950℃分别单重退火后,初生α 相含量占45%~60%,Ti-5111 棒材的室温强度随着退火温度的提高略有降低,塑性差异不大,冲击性能先增大后减小;双重退火后,随着时效温度升高,强塑性无明显变化,冲击性能显著下降。

⑶选择退火制度为 930℃/1h.AC,即可获得强度和塑性、冲击性能的相对最佳匹配。

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