N、O、Fe的含量對TA15鈦合金性能和組織的影響

2010-01-15 閔新華 寶鋼股份特殊鋼分公司

  本文(wen)主要研究了雜質(zhi)(zhi)元素N、O、Fe 含量對TA15 鈦合(he)金力(li)學(xue)性能(neng)的影響(xiang),并通過光學(xue)顯微(wei)鏡(jing)、掃(sao)描電(dian)鏡(jing)等(deng)實驗手段對不同雜質(zhi)(zhi)成分(fen)的微(wei)觀(guan)組織(zhi)進(jin)行了研究分(fen)析。研究結果(guo)表明(ming):隨(sui)著雜質(zhi)(zhi)N、O、Fe 含量的增(zeng)加(jia),TA15 鈦合(he)金的室溫拉伸、高溫持久均得到提高。在顯觀(guan)組織(zhi)上(shang),不同雜質(zhi)(zhi)含量的組織(zhi)形(xing)貌、結構有一定的差別。

1、引言

  鈦合金(jin)中含有Al、Mo、V、Zr 等合金(jin)元素和(he)主要Fe、N、O 雜質元素,控制這(zhe)些元素的(de)(de)一定(ding)含量和(he)組合可以(yi)得(de)到綜(zong)合性(xing)能良好的(de)(de)半成(cheng)品,為最(zui)終(zhong)在航空、航天、石油、化工等重要行業用(yong)的(de)(de)零件提供優質的(de)(de)原(yuan)材料。

  TA15是前(qian)蘇聯在本世紀60 年代初(chu)研制(zhi)的(de)(de)近α型鈦合(he)金,它(ta)的(de)(de)名義成(cheng)分(fen)是Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V,兼有α型和(α+β)型鈦合(he)金的(de)(de)優點,具(ju)有良好的(de)(de)熱穩定性,長時間工作(zuo)溫度(du)可達500℃。同(tong)時TA15 鈦合(he)金的(de)(de)焊接性和工藝塑性良好,可制(zhi)成(cheng)板材、棒材、鍛件(jian)等多種規格產品,廣(guang)泛(fan)應用于飛(fei)機發(fa)動機及機身結構件(jian)。

  TA15 鈦(tai)合(he)金(jin)采用的(de)(de)是普通(tong)退火制(zhi)度(700℃~850℃,1h~4h 空(kong)冷),因此合(he)金(jin)元(yuan)(yuan)素和(he)雜(za)(za)質(zhi)元(yuan)(yuan)素的(de)(de)成(cheng)分、熱加工工藝(yi)的(de)(de)控制(zhi)對是強(qiang)化(hua)(hua)性(xing)能的(de)(de)關(guan)鍵(jian)。本文主要(yao)研(yan)究了TA15 鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)雜(za)(za)質(zhi)元(yuan)(yuan)素Fe、N、O的(de)(de)含量對力學性(xing)能影響,并通(tong)過光學顯微鏡和(he)掃描電鏡對TA15 不同雜(za)(za)質(zhi)成(cheng)分的(de)(de)微觀組織進行了觀察和(he)分析(xi),從而(er)揭(jie)示TA15 鈦(tai)合(he)金(jin)中(zhong)雜(za)(za)質(zhi)元(yuan)(yuan)素強(qiang)化(hua)(hua)性(xing)能的(de)(de)機(ji)理(li)。

2、試驗材料和方法

  試驗的材料是采(cai)用三爐雜質成分不同(tong)的φ14mnn 棒(bang)材。這三爐棒(bang)材是由(you)實驗室冶煉的小(xiao)錠采(cai)用相同(tong)冶煉工藝、相同(tong)的熱加工工藝得到的。

  實驗(yan)過程(cheng)如(ru)下:先(xian)采用(yong)相(xiang)同熱處理制度將(jiang)三爐試(shi)樣退(tui)火后,測試(shi)了室溫(wen)拉伸(shen)、高溫(wen)拉伸(shen)、持久、沖擊,并利用(yong)光學顯微鏡(jing)、掃描電(dian)鏡(jing)和(he)透射電(dian)鏡(jing)對試(shi)樣的(de)微觀(guan)組織結構進行了觀(guan)察分析(xi)。

3、試驗結果和分析

3.1、化學成分

  將(jiang)主要(yao)(yao)合金(jin)元素(su)控制在中線,然后設計了成分(fen)1:主要(yao)(yao)雜質元素(su)N、O、Fe 均為(wei)海綿鈦中帶(dai)入,不另外配。成分(fen)2:在成分(fen)1 的基礎(chu)上提(ti)高(gao)O、Fe的含量。而成分(fen)3:則在在前2 種(zhong)成分(fen)的基礎(chu)上又提(ti)高(gao)了N 的含量。測試結果(guo)見表1。

3.2、相變點

  由于O、N 是α穩定(ding)元(yuan)素(su),提(ti)高相(xiang)變(bian)點(dian);Fe是β穩定(ding)元(yuan)素(su),降低相(xiang)變(bian)點(dian),因此,不同(tong)O、N、Fe含量(liang)的成分得(de)到的相(xiang)變(bian)點(dian)會(hui)不一(yi)樣(見表1)。成分2 由于增(zeng)加了O、Fe,因此相(xiang)變(bian)點(dian)比(bi)成分1 略高一(yi)些,而成分3 的N 增(zeng)加較多,相(xiang)變(bian)點(dian)要(yao)高出(chu)成分1、成分2 近(jin)20℃~30℃。

3.3、力學性能

  三(san)種(zhong)(zhong)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)的(de)(de)(de)試樣得到的(de)(de)(de)力(li)學性能見表2。可以(yi)看到三(san)種(zhong)(zhong)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)得到的(de)(de)(de)力(li)學性能有較大(da)的(de)(de)(de)差別。①室溫拉(la)伸(shen)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du):屈(qu)服(fu)(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)抗(kang)拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)隨(sui)著(zhu)O、N、Fe含(han)量的(de)(de)(de)增(zeng)加而(er)逐漸提(ti)高(gao),而(er)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)3 的(de)(de)(de)斷面收縮(suo)率(lv)要比成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)1 和(he)(he)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)2 低(di)20%左右。②500℃的(de)(de)(de)拉(la)伸(shen)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du):成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)1 的(de)(de)(de)屈(qu)服(fu)(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)抗(kang)拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)低(di)于后兩種(zhong)(zhong)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen),但成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)2 和(he)(he)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)3 的(de)(de)(de)屈(qu)服(fu)(fu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)和(he)(he)抗(kang)拉(la)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)相差不(bu)大(da);斷面收縮(suo)率(lv)的(de)(de)(de)變化趨勢與(yu)室溫一樣。③500℃持久(jiu)(jiu)(jiu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du):成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)1 的(de)(de)(de)持久(jiu)(jiu)(jiu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)很(hen)差,達不(bu)到技術(shu)標(biao)準的(de)(de)(de)要求,而(er)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)2 和(he)(he)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)3 的(de)(de)(de)持久(jiu)(jiu)(jiu)強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)均(jun)能滿足技術(shu)指標(biao)。④室溫沖擊(ji)(ji):隨(sui)著(zhu)O、N、Fe 含(han)量的(de)(de)(de)增(zeng)加室溫沖擊(ji)(ji)值逐漸降低(di)。

3.4、微觀組織

  三種成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)試樣(yang)退火后的(de)(de)微觀組(zu)織(zhi)見圖1a,b,c、圖2a,b,c。它(ta)們均(jun)(jun)(jun)為兩相(xiang)(xiang)(xiang)雙(shuang)態組(zu)織(zhi),由等軸或球狀(zhuang)的(de)(de)初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)和β轉(zhuan)變組(zu)織(zhi)組(zu)成(cheng)。從光學顯微鏡得(de)到的(de)(de)500 倍(bei)(bei)圖片和高倍(bei)(bei)率的(de)(de)掃描照片來看(kan):不(bu)同(tong)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)的(de)(de)組(zu)織(zhi)中,初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)含量、尺(chi)寸以及β轉(zhuan)變基體上(shang)次(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)含量、長短(duan)都(dou)有(you)(you)差異。成(cheng)分(fen)(fen)(fen)1的(de)(de)初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)含量最(zui)多,但大(da)小(xiao)(xiao)不(bu)均(jun)(jun)(jun)勻,有(you)(you)大(da)有(you)(you)小(xiao)(xiao);成(cheng)分(fen)(fen)(fen)2 的(de)(de)初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)尺(chi)寸最(zui)小(xiao)(xiao),并(bing)且比較均(jun)(jun)(jun)勻。而(er)成(cheng)分(fen)(fen)(fen)1 的(de)(de)次(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)既有(you)(you)長條狀(zhuang),也有(you)(you)短(duan)棒狀(zhuang),尺(chi)寸也比較寬,(見圖2a);成(cheng)分(fen)(fen)(fen)2 中的(de)(de)黑(hei)色β轉(zhuan)變基體較多(見圖1b),但分(fen)(fen)(fen)布其(qi)中的(de)(de)條狀(zhuang)次(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)比較均(jun)(jun)(jun)勻,均(jun)(jun)(jun)為短(duan)棒狀(zhuang);成(cheng)分(fen)(fen)(fen)3 的(de)(de)試樣(yang)組(zu)織(zhi)中,球狀(zhuang)的(de)(de)初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)顆粒比較均(jun)(jun)(jun)勻,而(er)分(fen)(fen)(fen)布在β轉(zhuan)變基體上(shang)的(de)(de)條狀(zhuang)次(ci)生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)(xiang)也比較細。