TC16( Ti-3Al-5Mo-4.5V)合金属于马氏体型( α +β)两相钛合金,因合金比强度、塑性高,抗疲劳﹑焊接和淬透性良好等优异特性,广泛应用于航空、航天、化工、冶金﹑船舶、国防、医疗、油田和汽车等领域,是制造紧固件理想的材料之一。随着各国航空工业飞速发展,钛合金紧固件应用比较普遍,具有良好的减重效果,且是钛合金、碳纤维复合材料等结构件必须的连接件[2]。当前飞机构件多采用机械连接[4],这对紧固件用钛合金材料的各项性能提出了更高要求。俄罗斯长期使用TC16合金作为制造紧固件的材料,但对生产过程中合金组织演变及组织对力学性能的影响缺少全面系统的试验与分析[5]。国内对TC16合金做了一些探索研究,如吴崇周等[6·]系统分析了退火制度、固溶时效,冷变形强化等因素对TC16合金组织和性能的影响;张志强等[5研究了淬火温度对TC16合金显微组织和变形行为的影响。热处理制度是保证TC16 钛合金棒材工艺性能的重要因素,也是TC16钛合金高性能的保证[8],因此,本文以TC16合金为研究对象,研究了不同热处理制度对该合金组织演变及组织对力学性能的影响规律。

试验材料与方法

试验用材料是采用真空自耗电弧炉熔炼的TC16合金,其具体化学成分见表1 ,坯料铸锭经开坯、锻造、精锻、轧制成b12 mm的棒材,通过金相法测定的TC16合金相变点为T。=850 ℃。

TC16钛合金相变点为T。=850℃,固溶处理选择在700 ~900 ℃范围内进行,固溶时间选择为30 min。本次试验对b12 mm的小棒材分别在780、800、850、900 ℃下进行固溶处理,保温时间为30 min ,对每一温度下固溶处理的试样分别采用空冷(AC)、炉冷( FC),水冷(WQ)方式进行冷却。固溶处理后,选用固溶处理为800 ℃ x 30 min + WQ的试样再分别在520、560和 600℃保温2、4,8,16 h空冷进行时效处理,后对其组织进行金相( OM)对比分析,并测试其冷却后试样的室温拉伸性能,所用试验设备为AxioVert.A1研究级倒置数字材料显微镜和Instron1 185力学试验机。

热处理对棒材力学性能的影响

如图3所示,随着固溶温度的升高,合金抗拉强度和屈服强度先降后升,在850℃出现低谷分别仅为827、777 MPa ,伸长先升后降,总体来看,固溶温度对该合金塑性影响不大。随着固溶温度的升高,形成的α"马氏休逐渐增加, 而α"马氏体在分解时不产生强化作用,屈服强度首先大幅降低,因为亚稳定β相和α"马氏体相在应力作用下容易发生分解,拉伸试验时亚稳定的β相析出α"相,α"相等温加热会发生分解,可使合金在较低应力下发生塑性变形,促使其屈服强度急剧下降,同时分解出的被β相稳定元素所饱和的α"相在均热条件下又会析出较稳定的β相,这使其抗拉强度和屈服强度又有所升高。

在相同固溶时效处理制度下,随着时效时间延长，TC16钛合金强度也随之提高,原因是时效时细小弥散物大量析出,时效时间越长,弥散物颗粒越多,从而提高固溶体强度。另外,随着时效时间的延长及温度的提高,会出现析出弥散物颗粒聚集的现象,从而使时效强化作用减弱,这会导致钛合金棒材塑性的增加。TC16钛合金在780℃固溶处理并随后以2~4 C/min随炉冷却至550℃左右,后在空气中冷却可以得到较理想的(α-β)组织,且具有稳定、良好的综合性能,因此在制定固溶加时效工艺参数时可把780℃左右固溶作为参数[9],以深挖TC16钛合金的材料性能。

表2为TC16钛合金棒材不同热处理工艺处理后的室温拉伸性能测试结果。不同热处理工艺处理后的室温拉伸性能性能差异较大。高温水淬时,合金中的β和α"相能稳定存在,随固溶温度提高,合金的抗拉强度变化不大,而屈服强度则先降后升,伸长率和面缩先升后降;空冷时,亚稳态β相部分分解形成强化合金的弥散析出物,合金抗拉强度和屈服强度在800 ℃出现低谷,而塑性参数则相反;炉冷时,合金拉伸性能参数稳定,抗拉强度和屈服强度变化不大,伸长率超过800 ℃时其值恒定,面缩率随着温度的升高缓慢下降。

结论

1 ) TC16钛合金800 ℃进行固溶处理,初始组织为初生α相和亚稳态β相,随着固溶温度的升高,合金晶粒有所长大,且亚稳态β相会发生α"马氏体转变,o"马氏体相略有长大,会使晶粒均匀,当温度达到900 ℃后,会使α"马氏体析出晶界完整的β相,最后形成魏氏组织。

2)固溶温度对TC16钛合金塑性影响不大,相同固溶时效处理制度下,随着时效时间延长,细小弥散物大量析出,时效时间越长,弥散物颗粒越多,且随着时效时间的延长及温度的提高,析出的弥散物颗粒发生聚集,从而使时效强化作用减弱,这些因素会导致钛合金棒材强度和塑性略有提高。

3 ) TC16钛合金在780℃固溶处理并随后以2~4 ℃/min随炉冷却至550℃左右,后在空气中冷却可以得到较理想的( α-β)组织,且具有稳定、良好的综合性能,固溶加时效工艺参数时可把780℃左右固溶作为选参数。