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分享:固溶时效处理对TA10钛合金组织与力学性能的影响

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浏览:- 发布日期:2024-05-08 11:15:06【

钛及钛合金具有无磁性,良好耐腐蚀性和生物兼容性等众多优异特性,在汽车工业、海洋工程、生物医疗等领域均有广泛应用[12]。TA10钛合金是一种常见的近α型钛合金,该合金是替代高成本Ti–0.2Pd合金而发明的,因为其具有优异的耐腐蚀性,较低的成本,该合金在石油与化工领域得到广泛应用[34]

TA10合金的应用领域不断增加,国内外学者对该合金做了大量的研究,苏娟华等[5]研究了TA10钛合金的高温拉伸断裂极限,结果表明:应变速率和温度的改变对该合金断裂极限值影响较大,提升变形温度会提高合金的断裂极限值,而提高应变速率会降低合金的断裂极限值。许耀平等[6]进行了电子束冷床炉熔铸TA10钛合金非对称流动及凝固过程数值模拟,结果表明:形成非对称熔池的必要条件为传热和流动,钛溶液流入结晶器的过程中,部分溶液会侵蚀凝固坯壳,而另一部分因为温度不同导致密度改变,进而使其重返液面。

虽然对TA10合金的研究领域众多,但对该合金的组织与性能研究目前仍是主要研究方向,本文选取确定固溶温度,改变时效温度,分析固溶时效对合金组织与力学性能的关系,为该合金的进一步应用作出参考。

本实验选用的材料为TA10钛合金,该合金的名义成分为Ti–0.3Mo–0.8Ni,通过ICP(电感耦合等离子体技术)测得实验用合金的化学成分为:w(Mo)=0.28%、w(Ni)=0.77%、w(O)=0.05%、w(Fe)=0.074%、Ti余量。通过金相法测定实验用合金的相变点为890~895 ℃。随后选取860 ℃为固溶温度,对其进行固溶处理,随后选取520、540和560 ℃ 3组温度对其进行时效处理,具体制度如表1所示(WQ为水冷,AC为空冷),将经固溶时效处理后的合金进行切割加工,制成金相试样与室温拉伸试样。

合金的金相组织观察使用Axiomatic光学显微镜,使用Instron电子万能实验机进行拉伸实验测试,每组拉伸实验测试3个试样,最后取其平均值,使用Ziss电子扫描显微镜观察拉伸断口微观形貌。

图1为经固溶时效处理后的金相组织,由图1可得,合金经860 ℃固溶处理后,金相组织由初生α相和β转变组织组成,其中β转变组织由细小的次生α′相和残余β相组成,此时组织为典型的双态组织,因为合金相变温度为890~895 ℃,当合金加热到860 ℃时,组织中α相发生部分溶解,当进行水冷处理后,组织中发生β→α相转变,导致组织中的α相的由2部分组织,一部分为组织原始存在的α相,另一部分为新转变而来的α相[7]。又因为水冷处理时的过冷度较大,组织形成过饱和固溶体,形成亚稳定β相和次生α′相[8]。当合金经固溶处理再进行500 ℃时效处理后,组织中初生α相含量与形貌变化较小,组织中亚稳定β相分解,形成稳定的β相以及次生αs相,此时组织中初生α相含量与形貌变化较小,而时效形成的次生αs相体积较为细小且含量较少,随着时效温度升高到520 ℃,组织中析出的次生αs相更加细小,且含量明显增多,当时效温度达到540 ℃时,次生αs相含量继续增大,形貌更加细小均匀,但初生α相含量几乎不变。


因为合金经固溶处理后会形成过饱和固溶体,在随后的时效的过程中过饱和固溶体会发生分解,其中主要的变化为亚稳定β相发生分解为αs相和稳定β相,而在固溶过程中形成的α′相会逐渐分解,最后转变成α相,故经时效后的组织由αs相、α相、稳定β相构成[910]

图2为经固溶时效处理后的拉伸性能,由图2可得,合金在只经固溶处理后,其抗拉强度(Rm)为510 MPa,屈服强度(Rp0.2)为395 MPa,延伸率(A)为23%。当再经时效处理后,其强度增大,塑性降低,随着时效温度升高,趋势不变,其中在时效温度为540 ℃时强度最大,其抗拉强度为548 MPa,屈服强度为432 MPa,而时效温度为500 ℃时塑性最大,延伸率为17%。

合金经时效处理后强度升高,这是因为时效过程是析出相强化的过程,合金经时效后,组织中会形成较固溶处理后更加细小的αs相,在合金进行拉伸时,位错在穿过细小的αs相时,产生的形变不能快速的分散,导致位错塞积产生,增加晶界位置的应力,增加合金强度。随着时效温度的增加,合金中的αs相含量不断增加,形貌更加细小均匀,在产生位错塞积的同时,会进一步增加滑移过程中的阻碍效果,导致合金强度进一步增加[1112]。通过图2还以发现,合金的延伸率始终较好,这是因为时效的过程对组织中初生α相的含量和形貌并无较大影响,此时因为初生α相具有等轴形貌,等轴状的α相在变形时,其具有较好的协调性,促进滑移的开始,导致合金具有较好的塑性[13]

图3为经固溶时效处理后的拉伸断口微观形貌,由图3可得,经固溶时效处理后,合金的拉伸断口形貌均以等轴状的韧窝(位置A)为主。合金在拉伸时,因为应变速度较快,位错在运动过程中产生应力集,进而导致微孔开始成核,随着塑性变形不断进行,位错在运动过程中所受的排斥力减小,部分位错进入微孔内,再次激活位错源,因为拉伸过程中位错不断形成,而微孔中会不断有新形成的位错进入,使得微孔逐渐长大,随后微孔都汇聚于断口位置并且留下痕迹,最后形成大量韧窝[14]


当合金经时效处理后,断口微观形貌中会出现一定数量的二次裂纹(位置B),这是因为时效后组织中形成了大量的αs相,在拉伸时因为位错运动过程中会受到一定的阻塞,使位错发生偏移,二次裂纹的出现说明强度进一步增大。当时效温度继续增大,断口微观形貌中出现明显的撕裂棱,且断裂形貌有明显的起伏,这是组织中αs相进一步增多所致,宏观表现为合金强度进一步增大,与实际结果相一致。

(1)合金经固溶处理后,金相组织由初生α相和β转变组织组成,其中β转变组织由细小的次生α′相和残余β相组成,此时组织为典型的双态组织,经时效处理后,会形成细小的次生αs相,时效温度越高αs相越细小。

(2)合金经固溶处理后,其抗拉强度为510 MPa,屈服强度为395 MPa,延伸率为23%,当再经时效处理后,其强度增大,塑性降低,随着时效温度升高,强度继续增大,同时塑性继续降低。

(3)经固溶处理后,合金的拉伸断口形貌均是以等轴状的韧窝为主,当合金经时效处理后,断口微观形貌中会出现二次裂纹,当时效温度继续增大,断口微观形貌中出现明显的撕裂棱。


文章来源——金属世界

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