不同轧制厚度TC4钛合金板材的组织与性能

选取4种不同厚度的TC4钛合金轧制板材,利用金相显微镜以及力学性能试验,对其进行金相组织和力学性能研究。结果表明：经轧制及退火后的TC4钛合金板材的组织为α相与残余β相组成的混合组织,α相的形貌呈现出线条状、等轴状以及细小团状等特征;TC4钛合金板材强度总体呈现出随着厚度的增加先降低再趋于稳定的趋势,而塑性呈现出先升高再趋于稳定的趋势;当厚度为0.8 mm时,TC4钛合金板材的强度最大,抗拉强度为1075 MPa、屈服强度为1027 MPa,且4种规格TC4钛合金板材经轧制退火后沿RD与TD方向的强度与塑性均有一定差值;不同规格TC4钛合金板材拉伸后的微观断口形貌均以韧窝为主,其中厚度为0.8 mm的TC4钛合金板材沿TD方向的断口形貌中除具有韧窝形貌外,还具有一定数量的小平面,韧窝内部存在大量、特别细小的微裂纹。     

低温固溶及时效处理对TC4合金棒材组织及力学性能的影响

研究了TC4钛合金棒材经650和700℃固溶处理及时效处理后的组织和性能变化。结果表明:对热加工态的TC4钛合金进行650℃的固溶热处理,材料的显微组织和拉伸性能变化不大。经过700℃固溶热处理,TC4钛合金棒材强度明显降低,屈服强度相对于热加工态降低77 MPa,且屈/强比明显低于普通退火。时效热处理后,合金的强度显著提高,400℃时效后抗拉强度达到1020 MPa,相对于热加工态提高53 MPa。显微组织分析表明,热加工后的TC4棒材显微组织由初生α相、次生α相以及残余β相组成。热处理过程中,残余β相中针状α相的溶解与重新析出是影响合金拉伸性能变化的主要原因。     

2.0mm厚TC4钛合金激光焊接接头组织与力学性能研究

对2.0 mm厚的TC4钛合金进行激光焊接试验,分析接头的微观组织和力学性能。结果表明,焊缝区由晶粒粗大的β相和镶嵌在β相中的针状α相组成;热影响区由初生α相+β相组成,β相中还包含针状的二次析出α相。TC4钛合金激光焊接头抗拉强度在1095~1106 MPa,屈服强度为1054~1066 MPa,均大于母材。激光焊接接头断后伸长率在10.1%~11.1%,比母材低。当激光功率在2000~3500 W,焊接速度为1.5~8.0 m/min,离焦量为-1.5~1.5 mm时,均可得到焊缝表面成形良好,表面和内部无气孔等缺陷的高质量焊缝。     

大规格TC4钛合金厚板研制

采用经三次真空自耗电弧熔炼、多向锻造得到的TC4钛合金板坯为原料,以热模拟试验所获得的热加工图为参考,利用西部钛业有限责任公司2 800 mm四辊热轧机成功制备出了宽度为2 300 mm,厚度达到40~70 mm的大规格TC4钛合金厚板,研究了热轧工艺对其组织和室温力学性能的影响。结果表明,轧制温度、道次变形率和应变速率是制备大规格TC4钛合金厚板的关键工艺因素。所制备的TC4钛合金厚板的显微组织为双态组织,由平均晶粒尺寸为25μm的等轴初生α相、拉长的次生α相及晶间β相组成,其室温抗拉强度为925~960 MPa,屈服强度为870~910 MPa,延伸率为12.0%~14.5%。     

退火工艺对增材制造TC18钛合金力学性能和组织的影响

采用显微组织观察和力学性能测试等方法研究了退火工艺参数对增材制造TC18钛合金力学性能和组织的影响。结果表明,增材制造TC18钛合金试块宏观形貌平整,表面没有裂纹等缺陷,表面呈均匀的银白色。试样经600 ℃退火保温2 h后的各项力学性能均满足GJB 2744A—2007指标要求,其规定塑性延伸强度为1036 MPa,抗拉强度为1084 MPa,断后伸长率为9.8%,断面收缩率为30%。增材制造TC18钛合金的组织为典型的柱状晶组织,粗大的β相柱状晶粒内为细长的针状α相及编织细密的α+β相板条组织;随着退火温度的升高,β相柱状晶内的针状α相逐渐粗化。     

正火温度对电弧增材制造Ti-6Al-4V组织与性能的影响

利用TIG电弧增材制造技术制备了TC4钛合金样件,并对样件进行了正火处理. 结果表明,经正火处理后的试样组织由α相和β相组成;在750 ~ 950 ℃范围内,随着正火温度的升高,针状初生α相变短变粗,并逐渐向网篮组织方向转变;在950 ~ 1 050 ℃温度范围内,随着温度的升高,部分初生α相聚合长大,并向着“伪等轴晶”方向转化,在1 050 ℃形成了“伪等轴晶”初生α相 + 细小针状初生α相 + 细小针状初生α相之间的α + β组织,针状初生α相随着温度的升高变短变细. 最佳条件(850 ℃/2 h/空冷)下y方向的抗拉强度900.4 MPa、屈服强度820.4 MPa、断后伸长率9.3%、断面收缩率27.4%,z方向的抗拉强度890.1 MPa、屈服强度790.1 MPa、断后伸长率10.8%、断面收缩率31.0%,其性能接近锻件标准要求;沉积态与正火处理态的硬度值变化不大;拉伸试样(y和z方向)断口形貌均布满韧窝,属于塑性断裂.     

TA19钛合金大规格棒材的组织和性能研究

通过选择合理的锻造工艺对规格为准200 mm/准250 mm×长度≥2000 mm的TA19钛合金大规格棒材进行了研究,并分析测试了棒材的组织和性能。结果表明:通过β相区和近β相区多火次反复的镦拔,提高了TA19棒材组织均匀性,细化了晶粒;在α+β相区采用较高温度(低于β相变点30℃)锻造成形,获得了初生α比例(20%~25%)较佳的双态组织,得到了综合性能良好的大规格棒材。TA19两种规格的成品棒材室温和高温抗拉强度分别为1050、700MPa,屈服强度分别为950、560 MPa,均高出标准约15%,且伸长率、高温持久和高温蠕变性能均满足协议标准要求。     

锻后热处理温度对TA10钛合金显微组织及性能的影响

通过拉伸试验,对经过β相区两镦两拔锻造的TA10钛合金棒材不同温度（600~750 ℃）退火后的力学性能和显微组织进行研究。结果表明：随着退火温度的升高,TA10钛合金的屈服强度和抗拉强度下降,伸长率和断面收缩率升高;显微组织由网篮组织逐渐破碎,相同取向的片状α组织随温度升高偏聚在一起,形成长而平直的集束,为魏氏组织;热处理温度为700 ℃时棒材的屈服强度为607 MPa,抗拉强度为687 MPa,伸长率为22%,强度和塑性达到较好的匹配。     

选区激光熔化成形TC4合金退火态力学性能及组织的研究

研究了退火处理对选区激光熔化技术(SLM)制备的TC4钛合金的力学性能及显微组织影响。结果表明,选区激光熔化成形的TC4合金试样主要由针状α′相组成,随着退火温度升高,逐渐分解成α+β相,且由魏氏组织向网篮组织转化,伸长率逐渐增大,屈服强度下降,拉伸断口呈韧性断裂特征。综合比较,800℃×90 min退火处理后合金具有较好的力学性能,抗拉强度为902.43 MPa,伸长率为2.38%。     

真空去应力退火对TC18钛合金残余应力及组织性能的影响

在不同温度和时间下对TC18钛合金进行真空去应力退火处理,研究TC18钛合金真空去应力退火前后力学性能及残余应力的变化规律,观察去应力退火后的金相组织和拉伸断口形貌。结果表明:经真空去应力退火后,TC18钛合金的抗拉强度和屈服强度降低,冲击韧性、断裂韧性、伸长率和断面收缩率提高;残余应力消除效果显著;随着退火温度的升高,合金显微组织呈现规律性变化;当温度达到650℃以上时,α相明显减少,亚稳定β相显著增加,导致其强度下降,与力学性能测试结果相吻合;合金塑性提高,与断口形貌分析一致;最后,得到TC18钛合金的真空去应力退火制度为600～650℃和1～4h。     

热处理对激光立体成形TB18钛合金组织和力学性能的影响

采用BLT-C1000型激光立体成形设备制备了沉积态的TB18钛合金,然后采用OM、SEM和拉伸试验机等方法研究了不同热处理工艺对TB18钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,沉积态试验合金的宏观组织以长条形β晶粒为主,晶内由亚稳β相和针状次生α相组成,且存在贯穿β晶粒的沉积层线。随着直接时效温度的升高,原始β晶粒形状变化不大,内部次生α相厚度增加,在形貌上次生α相从针状向片状转变。直接时效温度高于550 ℃时,沉积层线消失,直接固溶温度高于830 ℃时显微组织以全β晶粒组成。固溶+时效处理后,微观组织以纵横交错的细层片状α相为主。随着直接时效温度的升高,抗拉强度和屈服强度降低,伸长率增加。固溶+时效后析出次生α相,抗拉强度和屈服强度显著增加,同时伸长率下降。综合考虑,实际生产中沉积态的TB18钛合金的最佳热处理工艺为直接时效500 ℃×4 h,此时强度和伸长率均高于指标要求。     

退火温度对TC4钛合金显微组织和力学性能的影响

对TC4钛合金分别进行了920℃、940℃、960℃、980℃保温1 h空冷的退火，随后进行了金相检验、拉伸试验和拉伸断口分析，以揭示退火温度对合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明：不同温度退火的TC4合金组织主要由初生α相和次生α相组成，随着退火温度的升高，初生α相含量减少；随着退火温度的升高，合金的强度升高，塑性降低，980℃退火的合金抗拉强度和屈服强度最高，为973 MPa和961 MPa,而塑性最差，断后伸长率为2%,断面收缩率为8%;在920℃和940℃退火的合金拉伸断口有大量韧窝，具有韧性断裂特征，960℃和980℃退火的合金拉伸断口韧窝数量明显减少，出现明显的撕裂棱和解离台阶，具有韧-脆性断裂特征。     

电子束增材制造的TC4钛合金热处理后的显微组织和力学性能

采用电子束增材制造技术制备了 TC4钛合金试棒,对试棒进行了 700～1 000℃的退火、900～960℃的固溶处理和550℃时效处理,检测了热处理后合金的显微组织和力学性能。结果表明:随着退火温度的升高,合金晶粒内α相的取向差增大,β相含量增加,针状α相数量减少,α相发生粗化;1 000℃退火的合金α相板条呈等轴状,组织明显粗大;随着固溶温度的升高,合金组织中针状次生α相数量增多,组织粗化;960℃固溶处理的合金组织为全片层状的次生α相;随着退火温度的升高,合金的抗拉强度和塑性均下降;随着固溶温度的升高,合金的抗拉强度增加而塑性降低,960℃固溶处理的合金抗拉强度最高,达1 167.2 MPa,断后伸长率为6%;经900℃×1 h固溶处理、水冷随后550℃×4 h时效处理的合金力学性能最好,抗拉强度为1 075.7 MPa,断后伸长率为10%。     

轧制温度对TA31钛合金热轧板材组织与性能的影响

利用真空自耗电弧炉和电子束冷床炉熔铸了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(TA31)合金扁锭,通过铸锭免锻造直接轧制工艺制备了热轧板材,研究了不同轧制温度(900、950和1000℃)对板材组织演变和力学性能的影响及机理。结果表明,TA31合金扁锭为魏氏组织,主要由片层状α集束和少量β晶界组成。在900℃轧制后板材主要由条带状α相和少量β转变组织组成。当轧制温度升高至950℃时,条带状α相转变为等轴α相,少量β相分布在晶间。当轧制温度进一步升高至1000℃时,部分等轴α相转变为β相,轧后冷却,组织由等轴α相、片层状和针状α相及少量β转变组织组成。随轧制温度的升高,板材抗拉强度和屈服强度下降,而断后伸长率和冲击吸收能量逐渐增大,断口形貌由韧性断裂逐渐变为微孔聚集型断裂。综合分析表明,短流程直接轧制工艺制备TA31合金板材的适宜热轧温度为950℃左右,此时抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击吸收能量平均值分别为978 MPa、831 MPa、13%和53 J。     

退火温度对TA31钛合金大口径无缝管组织与性能的影响

利用真空自耗电弧炉+电子束冷床炉熔铸了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(TA31)钛合金圆锭,通过铸坯直接斜轧穿孔制备出ø178 mm×12 mm大口径无缝管,研究了不同退火温度(800、850、900、950 ℃)对TA31钛合金组织演变和力学性能的影响。结果表明:轧制态无缝管为变形的魏氏组织,主要由片层状α相集束和原始β相晶界组成;退火处理后,片层状初生α相减少,原始β相晶界消失,组织逐渐均匀化,但当退火温度超过900 ℃后,α相集束粗化并转变为网篮组织;随退火温度的升高,抗拉强度与屈服强度先略微降低后缓慢增大,而伸长率呈先增大后减小趋势,断口形貌由韧性+准解理混合型断裂逐渐变为韧性断裂再转变为韧性+准解理混合型断裂。综合分析认为,短流程制备的TA31钛合金大口径无缝管适宜退火温度为900 ℃左右,此时抗拉强度、屈服强度和伸长率平均值分别为873 MPa、785 MPa和12.8%。     

高速线材轧制工艺对Ti-6Al-4V合金小规格棒材组织与性能的影响

采用高速线材轧制制备出准10 mm的Ti-6Al-4V合金小规格棒材,研究了不同轧制工艺对棒材微观组织与力学性能的影响。结果表明:初轧温度为850℃时,棒材组织主要为初生等轴α相和β相,等轴α相出现长大现象,呈短棒状;当温度升高到900℃,棒材组织主要由等轴α和细小β转变组织组成的双态组织;等轴α相逐渐减少,β转变组织不断长大呈片状分布。初轧温度950℃时,棒材的伸长率和断面收缩率下降明显,不能达到标准要求。当初轧温度为900℃时,棒材强度和塑性达到最佳配合,其抗拉强度为938 MPa,屈服强度为866 MPa,伸长率为13.1%,断面收缩率为26.5%。     

退火温度对SP-700钛合金板材显微组织和力学性能的影响

采用光学显微镜和室温拉伸实验机研究退火温度对SP-700钛合金板材显微组织和力学性能的影响。结果表明:退火温度低于760℃时,显微组织没有显著变化;退火温度为780℃时,显微组织由等轴状以及条状α相和β转变组织组成;退火温度为800~840℃时,显微组织由等轴α相和β转变组织构成;当退火温度升高至900℃时,显微组织由粗大的β相转变组织组成。室温拉伸实验表明:退火温度低于800℃时,抗拉强度变化不大,屈服强度和伸长率逐渐升高;当退火温度为800~840℃时,抗拉强度和屈服强度逐渐升高,伸长率逐渐下降;在740~820℃退火,纵横向抗拉强度和屈服强度的差异随着退火温度的升高而减小,纵横向伸长率差异先减小后增大。     

固溶处理对TC11钛合金组织与性能的影响

通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪以及室温拉伸性能测试,研究TC11钛合金分别在955、975、995和1015℃固溶处理后的微观组织与力学性能的对应关系。结果表明,合金原始锻态显微组织为α+β两相区锻造形成的双态组织,以α_p相和β转变组织为主。经固溶处理后,原始锻态组织中被扭转和拉长的α_p相随着固溶温度升高逐渐变小、变圆,同时体积较小的α_p相逐渐消失。固溶温度为995℃时,合金强度达到最大值,抗拉强度(R_m)为1403 MPa,屈服强度(R_p0.2)为1158 MPa;固溶温度为955℃时,合金塑性最佳,断后伸长率(A)为9.5%,断面收缩率(Z)为32%。当固溶温度位于两相区时,其拉伸断口微观形貌相似,均以韧窝为主;当固溶温度位于单相区时,断口形貌结晶状明显,且有较大的撕裂棱,在岩石状表面有大量撕裂状小韧窝。     

时效温度对TB18钛合金组织和力学性能的影响

利用拉伸试验机、光学显微镜和扫描电镜等手段研究了不同时效温度对TB18钛合金力学性能和组织的影响。结果表明,随着时效温度升高,TB18钛合金抗拉强度和屈服强度不断降低,伸长率和断面收缩率提高。从强度和塑性综合考虑,当时效温度为530℃时,TB18钛合金的综合力学性能最好。此时抗拉强度为1285.5 MPa,屈服强度为1206 MPa,伸长率为7.8%,断面收缩率为16%。TB18钛合金锻态是典型的等轴组织,经870℃×2 h,空冷固溶处理后为等轴β晶粒,晶粒尺寸为200～250μm。TB18钛合金经不同温度时效后,次生α相的微观形貌相似,均为片层状。随着时效温度的升高,合金内部析出的次生α相片层尺寸呈增大趋势。     

时效对热旋压TC11钛合金组织及性能的影响

采用光学显微镜、透射电镜、X射线衍射仪、拉伸试验机等研究了时效对双重退火态TC11钛合金原料热旋压成型后的显微组织和力学性能的影响,并确定了最佳的时效温度范围。结果表明,与双重退火态TC11钛合金原料相比,热旋压后的抗拉强度提高了近17%,硬度提高了约8 HRC,再经560 ℃×3 h时效后,抗拉强度由1195 MPa提高至1240 MPa,硬度提升约1 HRC,综合力学性能和硬度得到进一步提高。热旋压和时效均能促进软韧相β相向强化相α相转变。300~600 ℃时效时,抗拉强度均大于1200 MPa,并在580 ℃达到最大为1242 MPa。随着温度的升高,断后伸长率有所下降并在高于580 ℃时降至8%以下。热力学计算结果表明500~560 ℃温度范围内β相向α相的转变倾向最大,在此温度范围内进行时效最为适宜。