戚运莲,辛社伟,杜 宇,曾立英,刘 伟,孙花梅,谭伟力,谢翀博,孙宝红
(西北有色金属研究院,陕西 西安 710016)
β-CEZ是一种高合金化、高强度的亚稳近β型钛合金,兼有α+β两相合金和亚稳β相合金的性能特征,即固溶状态具有良好的冷加工性能,固溶时效状态下强度、塑性和断裂韧性可实现良好匹配,且热加工性能十分优异。β-CEZ 钛合金被主要用于制造航空航天领域的压气机盘、导弹舵轴等大截面结构件[1-5]。在现有的钛合金中,由于最初设计开发的应用目标不同,仅有少量β合金适于制备管材,且经热处理后强度仅可以达到1 200 MPa左右。目前,一些国家的钛及钛合金无缝管制造技术已经比较成熟,而我国高强度钛合金管材的研制仍处于起步阶段[6-9],关于β-CEZ钛合金作为管材的应用更是鲜有报道。
管坯的制备方法主要有2种,钻孔挤压和斜轧穿孔[10-11]。斜轧穿孔法虽然金属消耗量小,但是管坯的壁厚均匀性较差,会严重影响后续管材的轧制质量;钻孔挤压法虽然生产成本高,但制备的管坯壁厚均匀、组织性能较好,在挤压变形后,金属材料的晶粒更加细小均匀,还可以获得较高的管材尺寸精度[12-15]。为此,本研究采用钻孔挤压法制备β-CEZ钛合金管坯,分析挤压温度以及热处理工艺对β-CEZ钛合金挤压管材显微组织和力学性能的影响,旨在揭示热加工工艺与合金显微组织和力学性能之间的联系规律,从而为该合金管材的批量稳定化生产提供理论指导。
实验用料为经三次真空自耗电弧熔炼的吨级β-CEZ钛合金铸锭,其名义成分为Ti-5Al-4Mo-2Cr-4Zr-2Sn-1Fe,差热分析法测得β相变点在890 ℃左右。利用液压式锻机,经β相区开坯后,沿轴向拔长成方坯,然后对方坯在相变点以下40~50 ℃温度范围内的α+β两相区进行一次镦拔和多次镦拔,在两相区拔长、滚圆,锻成直径为150 mm 的棒材。采用钻床钻孔和数控车床机将φ150 mm的棒材加工成管坯,采用铜钢双包套在5000T卧式挤压机上对管坯进行热挤压,挤压温度分别为两相区830 ℃和β相区930 ℃,挤压管材规格为φ50 mm×10 mm。
从挤压管材上截取试样进行力学性能测试和显微组织分析。本试验对挤压管材试样在两相区不同温度(800、830、860 ℃)分别进行固溶处理, 继而进行不同温度(550、600、650 ℃)下的时效处理, 然后进行室温拉伸试验和金相组织观察。拉伸试验在INSTRON1185万能拉伸机上进行,金相分析在OLYMPUS PMG3金相显微镜上进行,样品腐蚀剂为10%HF+30%HNO3+60%H2O(体积分数)。
β-CEZ钛合金管坯经过一次镦拔和多次镦拔后的显微组织如图1所示。由图1可以看出,一次镦拔后β-CEZ钛合金管坯的显微组织晶粒较为粗大,且大小不一,β晶界不明显,晶粒内有板条状α相析出 (图1a);多次镦拔后等轴组织明显得到细化和均匀化,β晶界非常清晰,等轴晶内有细小的针状和短板条状α相析出(图1b)。
图1 一次镦拔与多次镦拔后β-CEZ钛合金管坯的显微组织Fig.1 Microstructures of single and repeated upsetting and drawing of β-CEZ titanium alloy tube blanks:(a)single upsetting and drawing; (b)repeated upsetting and drawing
表1为在830 ℃和930 ℃挤压获得的β-CEZ钛合金管材的力学性能(挤压状态)。由表1可以看出,830 ℃下挤压获得的β-CEZ钛合金管材抗拉强度可以达到1 290 MPa左右,延伸率约为10%,断面收缩率约为30%;930 ℃下挤压获得的管材抗拉强度可以达到1 350 MPa左右,但是延伸率降低至6%,断面收缩率降低至16%,故相变点以下830 ℃挤压管材的强度和塑性匹配较好。而在相变点以上930 ℃挤压获得的管材虽然塑性有大幅降低,但由于挤压温度较高,挤压过程会比较顺利,且高温下挤压变形抗力小,对设备的能力要求小,故实际生产中可结合产品性能要求选择适当的挤压温度。
表1 不同挤压温度下β-CEZ钛合金管材的室温力学性能
图2为β-CEZ钛合金管坯在830 ℃和930 ℃挤压后的显微组织。从图2可以看出,930 ℃挤压获得的β-CEZ钛合金管材的显微组织(图2b)明显比830 ℃的更为粗大(图2a)。相变点以上进行管坯挤压时,所需的挤压力虽小,但是高温会使管坯的晶粒长大,导致管材塑性大幅降低。
从挤压温度对β-CEZ钛合金管材组织和力学性能影响的分析得出,相变点以下两相区830 ℃挤压获得的管材具有较好的综合力学性能,故后续对该温度下获得的管材进行固溶时效处理。图3为β-CEZ钛合金在830 ℃挤压,经800、830、860 ℃×1 h/AC固溶处理后,固溶温度与管材力学性能的关系曲线。由图3可以看出,随着固溶温度的升高,β-CEZ钛合金管材的抗拉强度增大,屈服强度也随之增大,延伸率和断面收率则随着固溶温度的升高而降低。当固溶温度由830 ℃升高到860 ℃时,延伸率变化不大,断面收缩率继续降低。
图4为β-CEZ钛合金管材在830 ℃挤压,经860 ℃固溶,再经(550、600、650)℃×8 h/AC时效处理后,时效温度与管材力学性能的关系曲线。由图4可以看出,随着时效温度的升高,β-CEZ钛合金管材的抗拉强度和屈服强度降低,延伸率和断面收缩率增大,且断面收缩率曲线斜率较大,表明断面收缩率增大显著,说明时效温度对断面收缩率影响较大。
图4 时效温度与β-CEZ钛合金管材力学性能的关系曲线Fig.4 Aging temperature and tensile properties curves of β-CEZ titanium alloy tubes
表2为830 ℃挤压β-CEZ钛合金管材经不同固溶+时效处理后的力学性能。由表2可以看出,挤压管材经830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC处理后,管材拉伸强度可以达到1 455~1 466 MPa,延伸率为7%~8.5%。当固溶温度降低至800 ℃,时效温度提高到600 ℃时,管坯强度降低到1 260~1 270 MPa,延伸率提高到15%,可见降低固溶温度的同时提高时效温度后,挤压管坯的拉伸强度降低了约200 MPa,但塑性提高近1倍。
表2 不同热处理制度下β-CEZ钛合金管材的室温力学性能
图5为830 ℃挤压β-CEZ钛合金管材经不同固溶+时效处理后的显微组织。由图5可以看出,经830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC热处理后,管材的显微组织由β晶界和板条状α相组成;经800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC热处理后,管材的显微组织由β晶界和等轴α相组成,且晶粒细小均匀。
图5 不同热处理制度下β-CEZ钛合金管材的显微组织Fig.5 Microstructures of β-CEZ titanium alloy tubes by different heat treatments:(a)830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC; (b)800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC
(1)β-CEZ钛合金在相变点以下经多次镦拔后显微组织明显细化、均匀,且在相变点以下挤压获得的β-CEZ钛合金管材具有更好的强塑性匹配。
(2)随着固溶温度的升高,β-CEZ钛合金挤压管材的强度增大,塑性降低;随着时效温度的升高,强度降低,塑性增大。
(3)经830 ℃挤压获得的β-CEZ钛合金管材经800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC热处理后,强度和塑性匹配良好,拉伸强度大于1 250 MPa, 延伸率大于15%,显微组织为细小均匀的等轴组织。