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退火温度对TA1纯钛管组织和性能的影响

发布时间:2021-05-12 05:49:05 浏览次数 :

1、前言

热处理是金属材料最重要的物理冶金过程之一,也是工业上控制和改变金属材料组织、结构和性能的重要手段。退火是热处理的一种。由于退火后的晶粒尺寸对材料性能有着直接的影响,随着工业技术的发展以及工业生产对金属材料性能需求的不断提高,金属材料生产中的退火工艺已远远不只局限于在传统的软化金属和保证一定晶粒尺寸方面发挥作用,它已成为实现金属材料特殊而复杂性能状态的重要手段。现代工业要求退火不仅能软化冷变形金属,保证晶粒度,而且还要实现对金属材料的晶粒的形状、晶粒取向分布以及特殊各向异性性能的调整和控制。

TA1钛管

钛及钛合金作为21世纪的新型材料具有独特的高比强度、耐腐蚀等优异性能,广泛应用于化工、电力、石油、冶金、海洋、能源、航空航天、石油及天然气勘探、生物材料和体育娱乐休闲用品等领域。钛及钛合金的热处理在其生产过程中具有重要的作用。研究了不同真空退火制度对经特定工艺轧制的TA1钛管的组织和力学性能的影响,以获得满足飞机发动机要求的高性能、高塑性TAl钛管材。

2、实 验

原料采用一级海绵钛,经真空自耗电弧炉两次熔炼获得直径为720mm,质量为5t的TA1铸锭,铸锭化学成分见表1。TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压,最终获得φ45mm×7mm的管坯。管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12mm×1.25mm的管材。将管材置于真空热处理炉中,分别加热至450,475,490,500,550,600,650,700℃ ,保温90min,随炉冷却。

在热处理后的管材上取样,用INSTRON一1 185电子拉伸机进行力学性能测试和OLYMPUS金相显微镜观察组织。

表1 铸锭化学成分

3、结果与讨论

3.1 显微组织

图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。由图1可以看出,冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全(图1a)。形成该组织的原因是管材轧制过程中可分为两个阶段,首先是减径阶段,该过程使得管材外径减小,其次是减壁阶段,当管材内壁和芯棒接触后,外径和壁厚同时减小,而壁厚减少是主要的,因此前后两次的变形方向不同,导致显微组织形态混乱,管材变形时受三辊精轧机限制变形量较小,所以该组织并没有明显的加工流线型纤维,而且部分晶粒未完全破碎。图1b是450 ℃热处理组织形貌,与图1a组织相比未发生明显的变化,这是因为在低温下材料内部仅发生回复,回复只涉及点缺陷的运动而不会影响100倍下的显微组织形貌。图1C和d是475℃和490℃下的热处理组织形貌,相对于a和b有明显变化,显微组织变得混乱。这是因为在该温度下材料回复涉及到了位错的滑移或交滑移迁动,同时,空位也湮没在位错处使位错攀移,从而

使异号位错相互对消,位错重新排列导致显微组织发生明显变化。随着热处理温度的升高,金属变形留下的胞状结构完全消失,位错攀移比较容易,逐渐形成大角度界面,大角度界面发生迁动,并有细小的晶核出现。热处理温度继续升高,位错、空位、残余应力以及变形的不均匀部分已完全消失,同时在畸变能较高的部位出现了晶核。图1e是500 ℃下

的热处理组织形貌,相对于前边的微观组织有明显的变化,杂乱无章的组织变得清晰起来,且有少量的再结晶晶粒形成。图1f和g分别是550 ℃和600℃的热处理后的再结晶组织形貌,可以看出,材料内部的条状组织已经出现再结晶晶粒了。在550 ℃的温度下,只有少量的等轴化的再结晶晶粒,而在600℃的温度下,已经有大量的等轴晶出现。这与热处理温度有关,在同样的时间里温度越高,材料完成再结晶所需的时间越短,而热处理温度较高时,晶粒易于等轴化,因此550℃的再结晶晶粒明显较小而600℃时已完成再结晶。图1h和i分别是650℃和700℃下的热处理组织形貌。700℃下的组织已完全再结晶、等轴化,与650℃ 的相比晶粒已明显长大。在相同的保温时间里,随着退火温度的提升,再结晶晶粒逐渐粗化。

TA1管材经不同温度退火处理后的横向显微组织

3.2 力学性能

加工态TA1管材的抗拉强度为570MPa,屈服强度为520MPa,延伸率为17%。图2为经不同温度处理后的TA1管材的力学性能。由图2可以看出,随着热处理温度的升高,材料的抗拉强度和屈服强度逐渐下降并趋于稳定,延伸率逐渐增大。加工态下,材料经过冷加工内部产生了大量的点缺陷和位错,同时保留了很大的加工残余应力,使得材料抗拉强度和屈服强度较高,延伸率较低。450℃热处理后材料的力学性能变化不大,在这个阶段之前属于低温回复,低温回复过程中只涉及到点缺陷的运动,材料的塑性只能得到少部分的回复。475~500℃之间退火后,材料的力学性能发生了很大的变化,强度急剧下降,延伸率大幅增加,这说明经以上温度退火后,材料的力学性能趋于稳定,材料内部因冷加工残留的各种缺陷随着热处理温度的升高逐渐消失,材料的塑性得到了恢复。500℃热处理后,缺陷随着再结晶过程的完成而消失,片状组织完全消失,材料的力学性能得到了完全的恢复并趋于稳定。

热处理温度对TA1管材力学性能的影响

4、结 论

(1)TA1管材在450℃ 以下热处理时,属于中低温回复阶段,冷加工时保留的变形组织形貌没有明显变化。

(2)TA1管材在475~500℃之间热处理时,属于高温回复阶段,材料的力学性能随热处理温度的升高急剧变化且内部有再结晶晶核形成。

(3)TAl管材在温度≥500℃热处理时,材料的力学性能已趋于稳定,再结晶开始,内部的片状组织消失,晶粒完全等轴化。

(4)经550~650℃/90min FC处理后的TA1管材性能较好,达到了飞机发动机的使用要求。

参考文献

[1]毛卫民,赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大[M].北京:冶金工业出版社,1994:36—68.

[2]格列里克S S.金属和合金的再结晶[M].仝健民,译.北京:机械工业出版社,1985:14—68.

[3]稀有金属材料加工手册编写组.稀有金属材料加工手册[M].北京:冶金工业出版社,1985:14—68.

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