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chơi Đánh bạc bóng đá(www.vng.app):TC21钛合金锻件强度和塑性提高方法与工艺改进

admin2022-10-0413

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TC21钛合金具有高强度、高抗断裂韧性和低裂纹扩展速率等特点,是应用于新型飞机上的一种重要结构材料。为达到强度与韧性的最佳匹配,TC21常用热加工工艺为准β锻造。但在实际生产过程中,TC21钛合金锻件常常出现强度和塑性不匹配问题,给工厂带来了严重的质量损失。为此,本文对准β锻造前坯料的组织演变进行研究,并提出了改进型准β锻造工艺,以指导TC21热加工方案设计。


轻质、长寿命一直是飞机结构强度设计所追求的目标,也是一代又一代结构强度工作者所面临的永恒课题。随着中国航空制造技术的发展,耐久性/损伤容限设计思想逐步成为飞机长寿命的主要设计思想,在此情况下,高强、高韧、高损伤容限型TC21钛合金被广泛应用于新一代战斗机的结构件。在20世纪90年代,国内多家单位对TC21钛合金锻件的锻造工艺开展了研究,主流工艺方法有两种。


⑴β锻造。该工艺是将合金加热到β单相区较高温度(一般在Tβ+30℃以上)保温,变形后空冷或水冷,再经双重退火或退火后获得粗大的网篮或魏氏组织(或β转扭曲变形)。这种组织具有很高的抗断裂韧性,但塑性很差。


⑵近β锻造。近β锻造是将合金加热到两相区上部较高温度[Tβ-(5℃~20℃)]保温,变形后水冷或空冷,再经双重退火或退火后,组织中保留了少量的等轴初生α和较多的β转的组织(三态或双态组织)。这种组织具有较好的强塑性匹配,但工艺实施难度很大,组织和性能很难控制。


20世纪90年代末,北京航空材料研究院朱知寿等提出了准β锻造工艺并申请获批发明专利《钛合金准β锻造工艺》,该工艺明显改善了钛合金强度、塑性和断裂韧性的匹配性,为新一代战斗机的研制提供了强力的支撑。在针对TC21钛合金锻件强塑性匹配差这一问题的攻关过程中,笔者结合生产实际对《钛合金准β锻造工艺》重新进行了深度解读,并对问题原因进行了分析。


准β锻造工艺要解决的问题


根据专利说明书所述,钛合金的网篮组织与双态组织比较,其抗断裂韧性、疲劳裂纹扩展抗力、抗疲劳强度和蠕变抗力高,大大提高了构件的使用寿命,对设计人员有巨大的吸引力。但网篮组织长期以来未被锻件的使用者所接受,究其原因是若工艺控制不好,会显著降低锻件的塑性。解决网篮组织的塑性问题成为钛合金锻造的一大难题。因此,准β锻造的目的是为了获得高塑性网篮组织,即该网篮组织具有与双态组织一样好的塑性,同时又具有网篮组织固有的优良特性,从而大大提高构件的寿命。


高塑性网篮组织的特点


根据专利说明书所述,在以往的研究中,β锻造是获得网篮组织的主要方法。因β锻造前的加热温度较高且加热时间较长,加热后的β晶粒比较大。在锻造过程中,因锻造温度主要在β相区,β晶界α相不容易析出。而当晶界α相析出时,变形已基本结束。即使有小部分α相在变形过程中析出,也因变形量小而不易破碎。其显微组织是,原始β晶粒比较大,β晶界α相比较平直,而且破断不够。这就是通常的网篮组织比双态组织塑性低的根本原因。


采用准β工艺后,由于坯料在β区加热温度较低和坯料出炉后的温降,锻件的变形实际上是在α+β区进行的,在变形过程中,α相首先在β晶界析出,而且变形被击碎,不会产生连续的平直的晶界α相,最后在晶内形成网篮编织的集束片状α相。这样的网篮组织具有较高的塑性。


实际生产过程中存在的问题


根据专利说明书所述,准β锻造主要流程为:准β加热→锻造→锻后冷却。在准β加热后坯料出炉转移至锻造设备过程中,坯料会在空气中冷却一段时间。结合试验结果,TC21钛合金准β锻造工艺中主要的组织演变过程见图1。

图1 TC21锻件准β锻造过程中理想的组织演变


但在实际生产过程中,坯料的有效厚度对内部组织演变的影响很大。在坯料较厚的情况下,坯料心部在锻造过程中可能一直处在β相区,直至锻造结束也没有或仅有少量晶界α相析出,冷却后,锻件心部的组织存在原始β晶粒比较大、β晶界α相比较平直且破断不够问题,导致心部塑性偏低。厚截面坯料在常规准β锻造过程中可能的组织演变关系见图2。

图2 TC21厚截面锻件准β锻造过程中心部的组织演变


工艺改进思路


为改善厚截面TC21锻件准β锻造后的心部组织,本改进型准β锻造工艺主要优化思路是:⑴坯料经准β加热后不进行锻造,直接空冷,从而析出全部的晶界α相和沿晶界α相;⑵对坯料进行二次加热,加热温度选用α+β相区,然后进行一定量的变形以充分击碎析出的晶界α相和沿晶界α相。采用改进型准β锻造工艺,过程中的组织演变见图3。

图3 TC21锻件改进型准β锻造过程中的组织演变


准β锻造前组织演变工艺试验


试验材料


试验选用φ130mm×20mm的棒材,用金相法测定该合金的相变点为967℃


试验方案


⑴按图4切下5个显微试块,试块规格为15mm×15mm×20mm,试块分别编号A/B/C/D/E。

图4显微试块取样示意图


⑵按表1对5个显微试块进行不同的处理,处理完成后,打磨同一方向的表面,并在光学显微镜上观察显微组织。

表1对5个显微试块的处理方案


结果及分析

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图5是TC21试块经不同处理后的显微组织。可以看出,准β加热前,TC21棒料的显微组织主要由等轴初生α相和β转变组织组成(试块E),经过准β加热后,初生α相全部转变为β相(试块A)。

图5 TC21试块经不同处理后的显微组织


经过准β加热的试块,若置于空气中冷却30s,则会有部分晶界α相析出,且有少量条状α相沿晶界析出(试块B)。若置于空气中冷却120s,则晶界α相几乎全部析出,且有大量条状α相沿晶界析出,但析出的晶界α相和沿晶界析出的条状α相较细(试块C)。若置于空气中冷却至室温,则晶界α相和沿晶界析出的条状α相几乎全部析出,但析出的晶界α相和沿晶界析出的条状α相较粗较长(试块D)。


改进型准β锻造工艺的工艺试验


试验材料


试验选用φ210mm的棒材,用金相法测定该合金的相变点为968℃。


试验方案


⑴切下2根试验棒材,长度均为100mm,分别编号A/B。


⑵按表2对试验件A和试验件B进行准β锻造和热处理。

表2改进型准β锻造工艺试验过程


⑶在试验件A和试验件B的1/4厚度处和1/2厚度处检测横向室温拉伸和显微组织。


结果和分析


⑴显微组织对比。


图6是试验件A和试验件B不同取样位置的显微组织对比。由图6可以看出,相比常规准β锻造工艺(试验件A),采用改进型准β锻造工艺(试验件B)获得的网篮组织明显更加破碎,达到预期结果。针对试验件B,其1/2厚度处的破碎程度明显高于1/4厚度处,原因应是镦粗过程中1/2厚度处变形量大于1/4厚度处,进而导致近心部位置已析出的晶界α相和沿晶界条状α相破碎程度更高。针对试验件A,其1/2厚度处的破碎程度与1/4厚度处接近,原因应是坯料出炉转移时间较短,镦粗变形过程中仅有少量晶界α相和沿晶界条状α相被击碎,显微组织中的条状α相大多是锻后空冷过程中陆续析出并长大的。

图6试验件A和试验件B显微组织对比


⑵性能对比。


表3是试验件A和试验件B不同取样位置的室温横向力学性能对比。由表3可以看出,相比常规准β锻造工艺(试验件A),采用改进型准β锻造工艺(试验件B)加工的锻件塑性明显提升,即破碎程度高的网篮组织可明显提高锻件的塑性。1/4厚度处,试验件A与试验件B的强度接近,而1/2厚度处,试验件B的强度明显高于试验件A,原因应是破碎程度较高的网篮组织会有较高的界面能,进而起到强化的作用。

表3试验件A和试验件B室温横向力学性能对比


结论


⑴TC21钛合金棒材经准β加热后,显微组织中的等轴初生α相会全部转变为β相。


⑵准β加热后的空冷时间对显微组织有较明显的影响,随着空冷时间的延长,析出的晶界α相和沿晶界析出的条状α相逐渐长大。


⑶破碎程度较高的网篮组织可明显提升TC21钛合金锻件的塑性,同时可提高锻件的强度。


⑷采用改进型准β锻造工艺,可明显提高锻件强塑性匹配性。


作者简介


车安达:技术研发部部副部长,工程师,主要从事钛合金、铝合金和钢锻件设计开发工作,参与多个型号飞机结构件锻件设计。


来源: 锻造与冲压

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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