激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究2013-12-18(3)

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TC17钛合金可通过热处理以改善组织提高性能[7,8]，锻造TC17形变热处理工艺已得到深入探索，研究表明[9]：其性能与在两相区或单相区内形变热处理息息相关，两相区的热加工过程包括一系列在α+β相区内锻造与加热的过程，即在锻造后进行双重固溶处理+时效处理，常采用840°C/1h,AC +800°C/4h,WQ +630°C/8h,AC；单相区热加工过程包括在两相区内预模锻、在β单相区内终锻后进行固溶时效，常采用的热处理制度为800°C/4h,WQ +630°C/8h, AC。对于激光快速成形TC17钛合金，由于成形过程中高温度梯度、高冷却速度以及往复加热效应，其沉积态显微组织为不均匀的非平衡凝固组织，不能达到最佳的力学性能，热处理是调整激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学性能性能的重要手段之一，热处理参数对其组织与性能影响需要进一步探索研究，然而，目前对于激光快速成形TC17钛合金的显微组织及相关力学行为研究报道相对较少[10,11]，本文研究了激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织与力学性能，以及高温预处理、固溶温度、时间、时效温度对显微组织的影响，探究显微组织与力学性能之间的关系，为改善显微组织提高综合力学性能提供基础研究。

1.2钛与钛合金概述

1.2.1 钛及钛合金的基本性质

钛是继钢、铝、镁之后21世纪的新型金属，其原子序数为22，相对原子量为47.87，位于化学元素周期表的IVB族。纯钛的熔点为1668℃，钛在固态下具有α β同素异构转变，在882.5°C以下为具有密排六方(HCP)晶格结构的α钛，在882.5°C以上至熔点1678°C之间则为具有体心立方(BCC)晶格结构的β钛[12]。 -Ti和 -Ti的晶体结构如图1所示。

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图1 钛的同素异构体： -Ti和 -Ti的晶体结构

以钛为基体加入各种金属或非金属合金元素，就构成钛的金属间化合物或非金属化合物等统称钛合金。钛合金中，随着加入的合金成分和比例的不同，钛合金的α/β相变点的变化十分敏感。根据合金元素对钛的α/β转变温度的影响，通常将其分为三类：提高α/β转变温度的称为α稳定元素；降低α/β转变温度的称为β稳定元素；对α/β转变温度影响很小的称为中性元素[13,14]。表 1显示了钛合金中合金元素的作用及其类型。

表 1 钛中常用合金元素的分类

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α稳定元素能在α-Ti中大量溶解，从而使α相区扩大（如图 2-a），提高α/β转变温度，这类元素在周期表中的位置离钛比较远，包括Al、Ca、Ge、Ga、O、N、C等，其中应用得最多的是Al，Al元素含量的增加，不仅会提高β转变温度，还能使β稳定元素更易溶解于α相之中，对提高钛合金的高温强度与抗氧化性、降低比重、增加弹性模量有明显效果[15,16,17]。

β稳定元素能在β相中大量溶解的，从而扩大β相区（如图 2-b），降低α/β转变温度，可细分为 同晶型元素和 共析型元素。当V、Mo、Nb、Ta等 同晶元素或Mn、Fe、Cr、Co等慢共析元素含量达到某一临界值（即临界浓度Ck）时，较大的冷却速度能使合金中的 相保留至室温而不发生马氏体相变。各种 稳定元素的Ck值见表2，元素的Ck值越小，其稳定 相的能力越强。对于Si、Ag、Bi等快共析元素，由于在 钛中所形成的共析反应速度非常快， 相将分解成α相和比较脆的金属间化合物，很难保留到室温。

表2 钛合金中常用合金元素的临界浓度[18]

元素

Ck(wt%) Ta 45 Nb 36 V 15 Mo 11 Ni 8.5 Co 9.5 Mn 6.5 Cr 6.5 Fe 5.5 中性元素：中性元素对α/β转变温度的影响较小（如图 2-c），在α和β相中均有较大的溶解度。中性元素加入后主要对 相起固溶强化作用。钛合金中常用中性元素为Zr和Sn，可提高α相强度以及合金的高温拉升强度。

图 2 α稳定元素(a)、β稳定元素(b)以及中性元素(c)对相图的影响

1.2.2 钛合金分类及TC17钛合金

钛合金可按照相组成以及合金元素含量的关系分为 型（以TA表示）、 型（以TB表示）以及 + 型（以TC表示）合金。

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TCl7钛合金（也称为Ti-17，通用电器公司于1968年研制成功）是富β稳定元素的(α+β)型钛合金（如图4），其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。TCl7合金具有强度高，韧性好、淬透性高、热稳定性好，疲劳强度高的特性，主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片等零件，也可用于制造飞机结构件。

图4 各种钛合金及其与 稳定元素之间的关系

1.2.3 钛合金显微组织及力学性能

钛合金显微组织中的相组成主要有以α-Ti为基的α固溶体和β-Ti为基的β固溶体两种。不同的合金化学成分以及热加工工艺会使钛合金表现出多种多样的显微组织，其中组织形态、α和β两相的数量、尺寸、分布等都是重要的组织特征参数，同时，不同的显微组织表现出的力学性能同样有所差异。钛合金按照其组织形态特征可大致分为四类：魏氏组织、网篮组织、等轴组织以及双态组织，各种典型组织的组织形貌以及力学性能列于图 3和表 2，详述[19]如下：

(1) 魏氏组织：魏氏组织是在β相区进行加工或退火得到的组织，具有粗大等轴的原始β晶粒和完整的晶界α，晶粒内部是尺寸较大、

取向一致的片层集束，

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同一个集束内是并行排列的α、β片层，如图 3-a所示。魏氏组织的断裂韧度高、蠕变抗力和持久强度较高，但塑性较差。

(2) 网篮组织：通过在(α+β)/β相变点附近变形，或在β相区开始变形但在α+β相区终止变形(变形量为50~80%)可得到网篮组织，原始β晶粒以及晶界α相被不同程度地破碎，晶内α片层发生粗化，晶粒内部呈网篮片层结构，如图 3-b所示。相比于魏氏组织，网篮组织的塑性及疲劳性能较好但断裂韧性较低，综合性能优于魏氏组织。

(3) 等轴组织：钛合金在α+β相区热加工时，在变形过程中α相与β相会相继发生再结晶从而获得完全等轴的α+β相。其特点是初生α相等轴且均匀分布，体积分数超过50%，集体上存在一定的β转变组织，如图 3-c所示。等轴化程度的大小，受变形程度、加热温度和保温时间的影响，总的趋势是随着三者的增加，等轴化程度增加。

(4) 双态组织：两相钛合金在α+β相区上部进行热加工变形，或者在两相区变形后再加热到两相区上部温度冷却，可得到双态组织。其特点是在转变β组织的基础上，分布着一定数量的初生α相，但总含量不超过50%，如图 3-d所示。双态组织和等轴组织的力学性能类似，仅随所含初生α相数量不同而存在差异，这两种组织均具有较高的疲劳强度和塑性。

表 2 两相钛合金典型显微组织力学性能特征对比[20]

组织 室温 室温 冲击 断裂 疲劳 高温瞬时 高温瞬时 持久

类型 强度 塑性 韧性 韧性 极限 拉伸强度 拉伸塑性 强度

魏氏 最高 最低 最低 最高 最低

网篮 较高 较低

双态 较低 较高 中 中 较高 较低 中 中 中 中 较低

较高 最低 较高 较高 较高 最高 较高 较低 最低 蠕变 抗力 最高 较高 较低 最低 等轴 较低 最高 最高 最低 最高

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图 3 两相钛合金的典型组织[21]

(a)魏氏组织；(b)网篮组织；(c)等轴组织；(d)双态组织

1.3 钛合金的固态相变及热处理

1.3.1 钛合金的固态相变

钛合金在热处理过程中常见的固态相变有：（1）固溶冷却过程中的相变（包括淬火），β→α ，β→α'，β→ω(althermal)，β→α，及一些快共析元素的共析反应和短程有序相的形成，比如Si、Cu元素的共析析出和Ti3Al短程有序相都 …… 此处隐藏：3187字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……