鈦合金具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、高溫性能及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),在航空航天行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。但是由于鈦合金的加工性較差以及為了滿足減重需求,鈦合金結(jié)構(gòu)件整體化制造成為趨勢(shì)。由于鈦合金強(qiáng)度高,導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)鍛造成形的變形抗力越來(lái)越大,整體鍛造成形難度大、要求高,但隨著鍛造溫度的升高,鈦合金的變形抗力快速降低,可解決變形抗力大的問(wèn)題。同時(shí),為了獲得更高的強(qiáng)度,部分鈦合金需要采用β相區(qū)熱處理。但是研究表明[5-7],針對(duì)傳統(tǒng)鑄鍛法制備的坯料,當(dāng)熱加工溫度超過(guò)相變點(diǎn)達(dá)到β相區(qū)時(shí),鈦合金組織會(huì)迅速長(zhǎng)大,進(jìn)而導(dǎo)致塑性大幅下降。近年來(lái),隨著鈦合金粉末冶金技術(shù)[8-10]逐漸成熟,其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。研究發(fā)現(xiàn)[11],采用粉末冶金制備坯料,然后經(jīng)過(guò)β鍛造成形,可有效地緩解β鍛造時(shí)的晶粒長(zhǎng)大問(wèn)題。但是前期試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),針對(duì)不同鍛造工藝,既存在晶粒可控的現(xiàn)象,也存在晶粒迅速長(zhǎng)大的現(xiàn)象,究其根源,主要是對(duì)鈦合金粉末鍛造的β鍛造行為研究不足。因此,本文主要針對(duì)粉末法制備的鈦合金坯料,開(kāi)展單相區(qū)熱變形及熱處理晶粒度行為的研究,探討晶粒尺寸控制機(jī)理及邊界條件,為后續(xù)熱加工工藝的設(shè)計(jì)提供支撐。
1、試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料為采用粉末冶金法制備的TC4鈦合金,坯料尺寸為Φ90mm×1000mm,成分見(jiàn)表1。通過(guò)連續(xù)升溫金相法測(cè)得β相轉(zhuǎn)變溫度Tβ≈1000℃。采用熱模擬試驗(yàn)開(kāi)展鈦合金β鍛造組織行為的研究。使用等溫鍛造設(shè)備開(kāi)展高溫β鍛造試驗(yàn);在ZeissAxiovert200MAT光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察,腐蝕劑配比為1HF-1HNO3-50H2O(體積比);采用島津SSX-550掃描電鏡進(jìn)行電子背向散射衍射(ElectronBack-ScatteredDiffraction,EBSD)測(cè)試。依據(jù)GB/T6394—2017[12]統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸。
2、試驗(yàn)結(jié)果
2.1 TC4鈦合金粉末冶金坯料組織分析
從燒結(jié)態(tài)棒材中取金相試樣,組織結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出,燒結(jié)態(tài)樣品為等軸組織,α相晶粒尺寸為20~30μm;此外,還觀察到基體存在較多孔洞,尺寸較小,主要分布于α相晶界處。
2.2 TC4鈦合金粉末冶金β熱加工組織行為
2.2.1 TC4鈦合金粉末冶金β鍛造組織行為
(1)鍛造工藝對(duì)晶粒尺寸的影響
針對(duì)TC4鈦合金粉末冶金棒坯,開(kāi)展β單相區(qū)鍛造晶粒尺寸變化行為的研究。通過(guò)熱模擬試驗(yàn),研究了鍛造溫度、鍛造速度及鍛造火次對(duì)晶粒尺寸的影響,并與兩相區(qū)鍛造組織進(jìn)行對(duì)比,具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2~表3。
熱模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2~圖4。圖2為單火次下不同鍛造溫度對(duì)鍛件晶粒尺寸的影響。由圖2可以看出,與燒結(jié)態(tài)相比,單相區(qū)鍛造(1080、1050和1020℃)后晶粒尺寸略有長(zhǎng)大,由原來(lái)的20~30μm增加至40~60μm,且隨著鍛造溫度的下降,尺寸略有降低;但是,3個(gè)鍛造溫度條件下均未出現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象,如圖2b~圖2d所示。由此可以看出,粉末冶金TC4鈦合金在單火次β鍛造時(shí)可實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸的有效控制。圖2e為準(zhǔn)β鍛造結(jié)果,其晶粒尺寸與單相區(qū)高溫鍛造區(qū)別不大。圖2f為典型兩相區(qū)鍛造結(jié)果,可以看出,經(jīng)兩相區(qū)鍛造后,晶粒尺寸較燒結(jié)態(tài)進(jìn)一步細(xì)化,主要集中于10~20μm。綜上所述,晶粒尺寸隨著鍛造溫度的升高而長(zhǎng)大,但均未出現(xiàn)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象。圖3為鍛造溫度為1050℃、單火次下,鍛造速度對(duì)鍛件晶粒尺寸的影響。由圖3可以看出,與快速鍛造(1s-1)相比,鍛造速度為0.001s-1時(shí)的晶粒內(nèi)部片層組織明顯粗化,快速鍛造的晶粒尺寸為40~50μm,而慢速鍛造的晶粒尺寸為60~70μm。可見(jiàn),較慢的鍛造速度導(dǎo)致晶粒出現(xiàn)一定長(zhǎng)大,但是未發(fā)生異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。由此可見(jiàn),在單相區(qū)變形時(shí),變形速度無(wú)論快速或是慢速,晶粒均未發(fā)生異常長(zhǎng)大,晶粒尺寸的可控性較好。圖4為鍛造火次對(duì)粉末態(tài)TC4鈦合金晶粒度的影響。由圖4可以看出,與一火次1080℃鍛造相比,經(jīng)過(guò)兩火次1080℃鍛造后,晶粒尺寸長(zhǎng)大較為明顯,約為100~200μm,見(jiàn)圖4b。圖4c為1080℃鍛造+960℃二次鍛造后的顯微組織,晶粒發(fā)生一定的細(xì)化。由此可見(jiàn),粉末態(tài)TC4鈦合金經(jīng)兩火次β鍛造后,晶粒尺寸明顯長(zhǎng)大,晶粒尺寸控制不明顯。
(2)TC4鈦合金粉末鍛造組織與性能
在上述基礎(chǔ)上,設(shè)置了鍛造試驗(yàn),以測(cè)試其力學(xué)性能。鍛坯尺寸為Φ67mm×119mm,鍛造工藝見(jiàn)表4,典型鍛后樣品如圖5所示,鍛后鍛件尺寸約為Φ100mm×45mm。典型鍛件心部的低倍組織如圖6所示,組織顯示兩鍛件均未出現(xiàn)嚴(yán)重偏析。不同工藝下的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5,組織見(jiàn)圖7和圖8。
兩火次鍛造的顯微組織測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn),經(jīng)兩火次1050℃鍛造后,盡管較此前1080℃的鍛造溫度降低了30℃,但是晶粒還是發(fā)生異常長(zhǎng)大,見(jiàn)圖7b。其他兩組均未發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。可見(jiàn),經(jīng)過(guò)兩火次高溫鍛造后的晶粒尺寸變化規(guī)律與熱模擬試驗(yàn)結(jié)果一致。圖8為不同鍛造速度下的顯微組織結(jié)果。由圖8可見(jiàn),經(jīng)單相區(qū)鍛造后,快速鍛造下的晶粒尺寸為40~50μm左右;慢速鍛造的晶粒尺寸為50~60μm左右,其規(guī)律與熱模擬試驗(yàn)一致。由表5可以看出,對(duì)于3種兩火次鍛造工藝,強(qiáng)度較高,塑性均可滿足要求。在同一熱加工制度下,3種工藝下材料的強(qiáng)度差別不大;工藝2下材料的塑性最差,工藝3下材料的塑性最好。對(duì)于1050℃單火次下、不同鍛造速度的兩種工藝,與慢速鍛造工藝(工藝5)相比,工藝4的強(qiáng)度較低,塑性較高,最高可達(dá)18.7%。工藝5下材料的性能與工藝3下材料的性能接近,兩種工藝下的力學(xué)性能均滿足要求。由此可以看出,粉末TC4鈦合金經(jīng)一火次高溫鍛造后,力學(xué)性能較優(yōu)。
2.2.2 β熱處理組織行為
針對(duì)傳統(tǒng)鑄鍛鍛造與粉末鍛造兩種鍛件開(kāi)展了單相區(qū)固溶處理試驗(yàn),以研究粉末鍛造TC4鈦合金β單相區(qū)熱處理對(duì)晶粒尺寸的影響。粉末鍛造鍛件的制備工藝為工藝3,熱處理工藝為:1080℃/2h/水淬,微觀組織見(jiàn)圖9。由圖9可以看出,熱處理前,鑄鍛法的晶粒尺寸為20~30μm,粉末鍛造法的晶粒尺寸為30~40μm;經(jīng)1080℃β相區(qū)固溶處理2h后,傳統(tǒng)鑄鍛法的晶粒尺寸發(fā)生了異常長(zhǎng)大,可達(dá)2mm左右;相比之下,粉末鍛造TC4鈦合金熱處理后的晶粒雖有所長(zhǎng)大,由30~40μm長(zhǎng)大至100μm左右,但是較傳統(tǒng)鑄鍛法晶粒的長(zhǎng)大速度明顯低得多。由此可以看出,TC4鈦合金粉末鍛件較傳統(tǒng)鑄鍛鍛件更適合進(jìn)行β相區(qū)熱處理,晶粒尺寸的可控性更強(qiáng)。
3、討論與分析
通過(guò)研究結(jié)果可知,粉末鍛造TC4鈦合金在一定條件下可實(shí)現(xiàn)β相區(qū)熱加工的晶粒尺寸控制。通過(guò)分析,初步認(rèn)為主要為3個(gè)原因:孔洞缺陷、大角度晶界和粉末顆粒邊界效應(yīng)。
3.1 燒結(jié)坯孔洞缺陷的影響
由圖1可見(jiàn),TC4鈦合金燒結(jié)坯存在較多沿晶界分布的孔洞,在β鍛造時(shí),這些孔洞的存在對(duì)晶界有一定的釘扎作用,導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大受到一定程度的限制,因此,鍛造后晶粒尺寸雖然仍有一定程度的長(zhǎng)大,但是并未出現(xiàn)異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象[13],所以,一火次β鍛造后晶粒尺寸可得到有效控制。經(jīng)過(guò)一火次鍛造后,燒結(jié)坯中的孔洞由于變形閉合,其數(shù)量大幅減少,從而減弱了對(duì)晶界的釘扎作用,導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大的阻力變小,因此,二火次β鍛造后易發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大。此外,對(duì)于不同鍛造速度的一火次β鍛造的試樣,當(dāng)鍛造速度較快時(shí),晶粒長(zhǎng)大的時(shí)間較短,因此晶粒尺寸相對(duì)小;當(dāng)鍛造速度較慢時(shí),由于鍛造時(shí)間較長(zhǎng),隨著鍛造過(guò)程中孔洞不斷的消失,釘扎作用也在不斷減弱,同時(shí)晶粒長(zhǎng)大的時(shí)間較長(zhǎng),因此慢速鍛造的晶粒尺寸變大。同理,對(duì)于β相區(qū)固溶處理的試驗(yàn),由于孔洞的大量消失,使得在單相區(qū)熱處理時(shí)孔洞的釘扎作用大幅消失,晶粒長(zhǎng)大。
3.2 大角度晶界的影響
對(duì)于傳統(tǒng)鑄鍛法制備的鑄錠,經(jīng)開(kāi)坯后,雖然組織得到了均勻化和細(xì)化,但是其晶粒之間主要為小角度晶界,占比約為57%,如圖10所示。當(dāng)此坯料進(jìn)行β鍛造時(shí),晶粒合并更容易,這是傳統(tǒng)鍛件高溫鍛造時(shí)晶粒明顯長(zhǎng)大的重要原因。
相比于傳統(tǒng)鑄鍛法,粉末冶金技術(shù)下的粉末顆粒壓制時(shí)的取向隨機(jī)性較強(qiáng),顆粒間不存在伯格斯矢量的關(guān)系,因此,在燒結(jié)成坯料后,既有均勻細(xì)小的組織,同時(shí)晶粒間存在較多的大角度晶界,約占73%,如圖11所示。由于較多大角度晶界的存在,使得晶粒長(zhǎng)大受到一定的限制,因此,一火次高溫鍛造后晶粒未發(fā)生異常長(zhǎng)大。當(dāng)燒結(jié)坯經(jīng)過(guò)鍛造后,大角度晶界開(kāi)始減少,小角度晶界增多,見(jiàn)圖12。經(jīng)過(guò)一火次鍛造后,大角度晶界的減少是二火次鍛造晶粒快速長(zhǎng)大的重要因素之一。由圖12還可看出,鍛造后雖然大角度晶界數(shù)量減少,但是仍存在一定數(shù)量的、大于60°的大角度晶界,這也是在后續(xù)β相區(qū)熱處理時(shí),晶粒發(fā)生異常長(zhǎng)大的原因之一[14]。
3.3 粉末顆粒邊界效應(yīng)的影響
由于鈦合金較為活潑,因此其粉末顆粒不可避免地被氧元素包裹,在燒結(jié)成坯后,會(huì)產(chǎn)生一定的顆粒邊界效應(yīng),顆粒邊界效應(yīng)的存在,對(duì)晶粒的長(zhǎng)大也具有一定的阻礙作用。同孔洞的效果類似,也是一火次β鍛造后晶粒尺寸得到有效控制的重要因素之一。經(jīng)過(guò)一火次鍛造后,晶界邊界由于變形而發(fā)生一定程度的破壞,從而減弱了對(duì)晶界的限制作用,導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大的阻力變小,因此,二火次β鍛造后晶粒異常長(zhǎng)大。此外,對(duì)于不同鍛造速度下的一火次β鍛造的試樣,當(dāng)鍛造速度較快時(shí),變形較劇烈,晶粒邊界破損相對(duì)嚴(yán)重,導(dǎo)致其對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用減小,不利于晶粒尺寸控制;另一方面,當(dāng)鍛造速度較慢時(shí),由于變形較緩,晶粒邊界破損程度相對(duì)快速鍛造更小,對(duì)晶粒尺寸控制有利。由此推斷,雖然慢速鍛造時(shí)間較長(zhǎng),但是晶界邊界效應(yīng)的存在使得晶粒長(zhǎng)大受到的阻力較快速鍛造的大,因此,慢速鍛造下的晶粒尺寸僅稍大于快速鍛造下的晶粒尺寸。同理,對(duì)于β相區(qū)固溶處理的試驗(yàn),顆粒邊界效應(yīng)雖然在鍛造過(guò)程中遭到一定程度的破壞,但是其作用依舊存在。因此,粉末鍛造后,雖然孔洞以及大角度晶界均減少,但是晶粒未產(chǎn)生異常長(zhǎng)大。
4、結(jié)論
(1)粉末燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金的晶粒組織相對(duì)細(xì)小,存在較多孔洞及大角度晶界。
(2)單火次鍛造條件下,晶粒尺寸隨著鍛造溫度的升高而增大,β鍛造并未出現(xiàn)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象;在單相區(qū)變形時(shí),鍛造速度無(wú)論較快或是較慢,晶粒均未發(fā)生異常長(zhǎng)大,晶粒尺寸可控性較好。粉末燒結(jié)態(tài)TC4鈦合金經(jīng)兩火次β鍛造后,晶粒明顯長(zhǎng)大,晶粒尺寸控制不明顯。
(3)兩火次鍛造工藝下的鍛件強(qiáng)度較高,塑性均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,3種工藝下的強(qiáng)度差別不大;β相區(qū)單火次鍛造條件下,兩種工藝下的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。與慢速鍛造工藝相比,快速鍛造下合金的強(qiáng)度較低,塑性較高,伸長(zhǎng)率最高可達(dá)18.7%。
(4)TC4鈦合金粉末鍛件經(jīng)β相區(qū)熱處理后,未發(fā)現(xiàn)異常長(zhǎng)大現(xiàn)象,晶粒尺寸可控性更強(qiáng)。
(5)粉末鍛造TC4鈦合金晶粒尺寸的控制因素不是單一的,是多重的,包括孔洞缺陷、大角度晶界,粉末顆粒邊界效應(yīng)等。
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