TA15钛合金组织和性能之间的关系
钛锆铪分会2007年年会论文集
TAl5钛合金组织和性能之间的关系
秦桂红,闽新华,计波,毛彭龄
(宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司技术中心,上海,200940)
摘要:TAl5属于Ti—Al—z卜Mo—V系,并属于近o【合金的范畴,它是由仅固溶体与少量D相组
成,保留有0【合金和0【+D合金的许多优点,被广泛用作结构材料。本文主要介绍了不同热处理制
度、冷却方式以及加工工艺对TAl5钛合金组织以及性能的影响。
关键词:TAl5,近0【合金,组织,性能
Therelationshipbetweenstructure...
钛锆铪分会2007年年会论文集
TAl5钛合金组织和性能之间的关系
秦桂红,闽新华,计波,毛彭龄
(宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司技术中心,上海,200940)
摘要:TAl5属于Ti—Al—z卜Mo—V系,并属于近o【合金的范畴,它是由仅固溶体与少量D相组
成,保留有0【合金和0【+D合金的许多优点,被广泛用作结构材料。本文主要介绍了不同热处理制
度、冷却方式以及加工工艺对TAl5钛合金组织以及性能的影响。
关键词:TAl5,近0【合金,组织,性能
TherelationshipbetweenstructureandcapabilityofTAl5aUoy
QinGuihong,MinXinhua,JiBo,MaoPengling
(BaoshanIron&SteelCo.,Ltd.SpecialSteelBranchSpecialSteelR&DCenter,Shanghai,200940,China)
Abstract:1’A15belongstoTi—Al—Zr-Mo-Vbasedandcatego巧ofnearo【alloy.Itcomposedofo【solid
solutionphaseandaspotof0【phase.ItholdsmaIlyadVantagesof0【aUoyando【+DaUoyandiswidely
usedasstrIlcturematerials.Theeff.ectsofdifferentheatn.eatmentprocess,coolingmethodandmachining
process0ns饥lctllreandcapabilit),ofTA15alloyareiIltroducedinthisp印er.
Keywords:TAl5,nearo【alloy,s劬cn鹏,c印abil蚵
钛及钛合金因具有高比强度和耐腐蚀的显著优点,拥有“太空金属”和“海洋金属”的美称。
我国的科学工作者为了促进我国钛业的发展,对钛及钛合金做了大量的研究工作,已先后在我国研
制出了50余种钛合金,包括有:高温、高强、耐腐蚀、防弹、医用和功能钛合金【l】。近年来随着钛
业的发展,作为飞机结构件用的TAl5钛合金也迅速得到较大发展,其俄罗斯牌号为BT20,系俄罗
斯人E.A.BOPHCOBa在1964年研制成功的一种近0【钛合金[2,3】,其瞬时强度≥950兆帕。该合金兼
有0【型和(0【+p)型钛合金的优点,具有良好的热稳定性,长时间工作温度可达500℃。其工艺塑性
接近于。【+D型钛合金,具有较好的加工性能,可以制成薄板、厚板、型材、锻件和模锻件等。我国
的研究机构和企业的技术工作者为得到综合性能较好的TAl5钛合金,做了大量的研究工作。众所周
知,合金的性能跟其微观组织紧密相关,不同的组织
现出不同的性能,而合金的微观组织除受成
分影响之外还受热处理和热加工工艺等因素的影响。因此,本文主要就TAl5钛合金组织和性能之间
的关系,以及影响该合金组织的因素做以概括介绍,为今后研究生产综合性能优良的TAl5钛合金做
参考和铺垫。
2.热处理对TAl5合金的组织性能的影响
2.1普通退火对合金组织性能的影响[4—6】
对热轧态的TAl5钛合金进行650~950℃温度范围内退火,结果发现在较低的温度进行退火对合
金组织影响不大,基本保留热轧时的组织形态。在o【+p区高温退火时,组织变化较大,呈双态组
织,如图1所示。在650~950℃范围退火过程中,组织没有大的变化,只是D转含量不同。随着退火
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温度的珉箭,☆经的事m抗拉妊鹰降低,“{温度达到800℃叫,强瘦恐f乎缓。f衔埘服强鹰和艇理枇
打r降,雌性稍有升高州☆,温抗拉愠度和肼服强度随符迅火揣疰的刘r州堑渐升赢,塑性基本操持币
壹。这足幽为随着进伙湓爱的升高,变形p车H"解较多纽粤}I{_|$榭减少,变形成力消除,这种暂l织
列应的窀溢性能表趣为掩伸强度和碰鹰降低,帽由F虮纵稳定高特性能有所摊t岛。
;鬻鬻!釜黪筵戮
溪
图1退火温度对TAl5棒材组织的影响(a)750口c退火(b)950。c退火
“91E“ectofaM舶llngtelnperatllreonmlcrostructLlreofTAl5bar(a)750℃【b)950c
2.2D热处理对台金的组织性能的影响【7】
TAl5钛合金轧制棒材在两相匾轧制或锻造后,再在1020℃p相区热处理,热处理后得到片状
组织(如图2(b)所示)。B相医热处理TAl5钛合金得到的片状组织其抗伸强度、塑性、冲击韧
性均低干两相医热处理得到双态组织(如图1(a)所示);但B相k:热处理TAl5钛台金提高了屈
服强度与抗拉强度之间的差值,据有炎研究表明,埘强差与断裂韧性之悯有良好的线性关系,因
此,从损伤容|j睦设计技术指标断裂韧摊疲劳裂纹扩艟速率而占,D桐区热处理徉到的片状组织
优{:双态组织。
图2 0热处理和两相区热处理的金相组织: (a)“+B热处理(b)0热处理
n92Metal】f】91‘aI:)}1vofB andq一§ }、cattrea“nent
(a)“+B11eattre乱men(b)6 hcar treatment
23多次快速加热对TAl5合金组织性能的影响
钛台金的热徽_E;f、处理,山十卡目的硬化而引起相∞多边化、再结晶和球化过程.薛导致晶粒的细
化或内部结构的变化,从fni改善r冉台的机械性能。
采用两种多次快速加热工艺:j)加热到0区,枉105()~5∞℃的温度医进行3次循环,
2j热到d+BI蔓,也99¨~50fjc溢lj:进行20次撕研、,冉进步短时加热到ll()O℃的0阢,保持
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辫一滋
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30秒、空冷。在热循环后将TAl5合金试样在空气炉中进行800和950℃退火。研究结果表明,合金经
真空退火的初始状态具有粗大的转变了的p晶粒(950微米),其中还排列有长的片状0【相。1050℃、
0.5小时空冷+800℃退火l小时空冷的TAl5合金,具有长的0【薄片的持点,合金的塑性和冲击韧性较
低(延伸率6%,冲击韧性0.32兆焦耳/米2)。合金经热循环处理(1050~500℃,循环3次),随后800℃
退火l小时空冷,实际上对p晶粒尺寸没有影响。在D晶粒内部形成薄片状o【相,具有更加扭曲的特
点,证实了0【相的局部球化。形成这样的组织使TAl5合金的塑性和冲击韧性增加(延伸率9%,冲击
韧性0.51兆焦耳/米2),而抗拉强度几乎没有变化(1100MPa)。
在上述相同热循环(1050℃,3次循环)后,采用在0【+p区较高温度退火(950℃,0.5小时,炉冷)
导致0【相的更高程度的球化和增加了0【片的宽度(4.5微米)。在950℃退火前进行热处理(循环),可使
0【相球化,从而提高了合金的塑性和冲击韧性(延伸率18%,冲击韧性0.61兆焦耳/米2)。在两相区
(990~500℃)进行20次热循环,引起相的内部更大程度的硬化。因为在热循环过程中,共同存在0【
和D两个相,当加热和冷却时它们的数量、组份和单位体积将改变,并导致结晶结构缺陷的积累。
将具有较高结晶结构缺陷密度的TAl5合金(热循环后)快速加热(25℃/秒)到p区温度和短时间保持
(1100℃、30秒)引起合金局部再结晶的发展和形成细小的p晶粒(≤100微米)。经800℃退火后,合
金的组织为薄的、弯曲的片状o【相(宽度/微米),其球化程度要高于转到p区热循环处理后进行相
同温度退火的组织,出现了细小的球状o【,p晶界更加扭曲,在晶界和D晶内片状0【的厚度相同。
具有这种组织的合金,其塑性和冲击韧性较高(延伸率13%,冲击韧性0.55兆焦耳/米2)。
2.4加热温度及冷却速度对合金组织性能的影响[8】
在p区开坯,p区、(0【+D)区锻造的TAl5钛合金棒材试样分别在990℃、950℃和930℃加热
保温l小时,按水冷、空冷和炉冷方式冷却。990℃保温后水冷,形成的显微组织为o【7+p组织,
空冷得到魏氏体组织,炉冷时,由于试样冷却速度慢,在高温停留时间长,多型转变进行的很充
分,所有的o【相均变得粗大,也属于魏氏体组织。950℃和930℃两种处理方式的显微组织类似,只
不过930℃时具有更多的初生o【相。水冷时,得到(仅初+0【7+D)组织,空冷得到(o【初+针状
o【+D)组织;炉冷时,得到等轴o【+晶间D组织。随着冷却速度变慢,强度有所下降,塑性有所提
高;加热温度在990℃,以各种方式冷却都可得到较高的强度,但塑性较差。分别在950℃和930℃加
热,以各种方式冷却后强度和塑性的变化规律相似;950℃空冷时得到最好的综合性能。
2.5双重退火和淬火时效对合金组织和性能的影响[9,10】
TAl5钛合金铸锭在p区开坯锻造,在D区、0【+p区热轧成厚15mm的板材,沿轧制方向取样进
行970℃保温l小时,水冷+750℃保温1小时空冷双重退火,其抗拉强度和塑性水平都明显优于普通
退火,抗拉强度较普通退火提高了10%。对合金进行950℃保温1小时,水冷后550℃4小时时效后空
冷,其强度比普通退火提高了200MPa以上,强化效果达到22%。双重退火和淬火时效与普通退火对
TAl5钛合金拉伸性能的影响对比如表1所示,由表1可以看到淬火时效对合金的强度贡献最大,但塑
性明显降低,而双重退火可以达到强度和塑性的很好匹配。这是因为在950℃淬火后得到(仅+oL7
+0【”),并可能含有少量的亚稳定的D相,经时效后亚稳定的p相分解析出弥散、细小的o【相,形
成弥散强化,使抗拉强速明显提高,但塑性降低。若降低淬火温度至临界温度附近(850℃)淬火,
再经550℃4小时时效处理,得到较好的强度和塑性。由此可见,可以通过调整淬火温度得到综合性
能较好的TAl5钛合金。
7
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表1不同热处理对TAl5钛合金拉伸性能的影响
Taf)】o】EfmctrJ『d】ffeIel]1heaftreatInentonLenslleI)r()pert】esof’rAl5tltan汕ma110y
IIeaL ti℃aLment d}1Mi]a ⅡD 2 Mna 65.% 0,_。
750Clh^C 9#^ 937 99 382
970(‘,1h}750C.1}1.AC1055 lnl9 i43 362
950t1,1h,WC}550C,4h,AClfJ24 |】f)9 9 l 246
3热轧工艺对TAl5钛合金组织和性能的影酬””1
圈4给出rTAl5钛台盎住不同轧制温度F的显微组织照片,}}1圈可见,两相l:=(变彤得到的是双
态组织(豳4(a),(b)),§区=蔓形得到的是网箍组织(囝4(c)),一火8区变形加一火两相医变形
得到的是初生Ⅱ相呈条状的瞧台组织f图4(d))。与原始坯料的力学性能相比,经两相区变形后
台金强度降低,担性明显升高;经#区变形后合金强度与变形前相当或略有升高,但塑性偏低,面
缩率下降; ·火0医变形+一火两相区变形后合金的强度.擐性均介于前两者之间,有较好的强塑
性配合。
震饕
图4不同热轧温度下所获得的显微组织(变形量:55%)
(a)950℃.《b)970℃,(c)1020℃,(d)1020℃+970c
Flg4m】(’mstucnlreofTAl5tttaT1lufllaljoyoildifferent10l】lng忙mperature(demrmatlon:55%J
(a)950c,(bJq70(1,(c)1020℃,((1)1020℃·970c.
4.结束语
综k所述,TAl5钛台金的微观组织主要取决f台盘的变形温度和变形榉度,热处理对合惫的组
织性质l:会有火的影响,H是会改变台金的维织品粒的形状、足小硬数量,从『面影响台惫的性能,
11A15钛台盒虽然是近“铁台会,但可以进行热处理强化。(n功+针状n+0)缎磐啸】初卓d相暑
条状的混台组织县有强崖和塑性的较好匹配,得到绦合性能较好的台垒;投盎组织具有较好的靼
性,1:【=i强度较低;㈣篮组织或片状组织的强度和塑性均币如烈卷组织,佩其断裂韧性和抗疲劳裂纹
扩慢速率均优于双态组织;跟u+0掣钛舟金相似,土要由以1、四种典犁类型:魏氏体细织,嘲篮状
组织,混台组织和等轴“组织。总的柬|兑,魏氏体组织的拉伸塑性非々芎低,根本不能满足技术条件
要求;刚艋状组织的拉伸塑性比魏氏组织好得多, 一股可以满足技术条件要求;混台组织具有较好
的拉伸性能和疲劳强度;等轴组织具有最好的拉伸掣性和疲劳强度。通常在B单桐医变形得到网糍
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组织或魏氏体组织,在o【+D两相区变形的到双态组织。因此,在TAl5钛合金的生产过程应综合考
虑以上几方面的因素,采取合理的工艺参数根据性能要求得到想要的合金组织。
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TherelationshipbetweenstructureandcapabilityofTAl5ally
QillGuihong,MinXinhua,JiBo,MaoPengling
(Baoshanlron&SteelCo.,Ltd.SpecialSteelBranchSpecialSteelR&DCenter'
Shan曲ai,200940,China)
Abstract:TAl5belongst0Ti-Al-Zr-Mo—Vbasedandcategoryofnear仅alloy.ncomposedofc【solid
solutionphaseandaspoto耶phase.nholdsmaIlyadvantagesofaalloyand叶palloyandiswidelyusedas
smlcturemat嘶als.Theeff.ectsofdi船rentheattrea仃nentprocess,c001ingmethodandmachinillgpmcesson
s仃uctL鹏andc印abil埘ofTAl5a110yarein仃oducedinmispaper.
Keywords:TAl5,near0【alloy,stmcture,c印abili够
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TA15钛合金组织和性能之间的关系
作者: 秦桂红, 闵新华, 计波, 毛彭龄
作者单位: 宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司技术中心,上海,200940
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