等溫鍛造模具用TZM合金高溫力學(xué)性能研究

付靜波，曹維成，楊秦莉，莊 飛，張 曉

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

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等溫鍛造模具用TZM合金高溫力學(xué)性能研究

付靜波，曹維成，楊秦莉，莊 飛，張 曉

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

采用粉末冶金法制備了TZM合金。研究了TZM合金的高溫拉伸性能、高溫?cái)嗔秧g性以及高溫持久性能。結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)溫度不低于1 100 ℃時(shí)，隨著試驗(yàn)溫度的提高，TZM合金拉伸強(qiáng)度降低，塑性增加，斷裂機(jī)制為韌性斷裂；試驗(yàn)溫度為1 100 ℃時(shí)，隨著加載應(yīng)力的增加，TZM合金持久壽命逐漸降低；同樣試驗(yàn)溫度下，TZM合金高溫?cái)嗔秧g性良好。TZM合金較現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)等溫鍛造模具材料的高溫性能良好，可用作1 100 ℃甚至更高溫度下的等溫鍛造模具材料。

TZM合金；拉伸性能；斷裂韌性；持久性能；等溫鍛造

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)防工業(yè)的發(fā)展，航空難變形材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與此同時(shí)，材料的變形工藝成為亟需解決的問(wèn)題。目前，航空難變形材料的變形方法主要是高溫等溫鍛造[1-2]，因此，尋求適合于高溫等溫鍛造的模具材料將成為關(guān)鍵。鉬基合金導(dǎo)熱性好、膨脹系數(shù)低而且在高溫下軟化緩慢，因此在快速加熱和冷卻時(shí)其熱應(yīng)力不大；小的膨脹系數(shù)使模具的工作尺寸沒(méi)有變化[3]；同時(shí)，鉬合金具有良好的高低溫強(qiáng)度、高溫蠕變和高溫韌性，以上諸多優(yōu)點(diǎn)成為鉬合金成功用作高溫模具材料的主要原因[4]。關(guān)于鉬合金在工模具方面的應(yīng)用有：不銹鋼管穿孔頂頭、黑色金屬壓鑄模具、銅合金壓鑄模具、電鉚合模具、擠壓模具以及等溫鍛造模具等[5]。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，用作工模具的鉬合金材料主要有TZM合金和TZC。TZC合金比TZM具有更高的高溫強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度，但加工困難，斷裂韌性低，應(yīng)用受到限制。TZM合金相對(duì)于TZC合金綜合性能好，因此應(yīng)用更為廣泛。

TZM合金的主要成分及含量為：Ti 0.4%～0.55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、 Zr 0.06%～0.10%、C 0.01%～0.04%[6]，合金元素總量不超過(guò)1%。本文采用碳化物替代常規(guī)所用的氫化物作為添加劑進(jìn)行TZM合金坯料的制備。之后對(duì)坯料進(jìn)行熱軋與溫軋工藝，制備了TZM 合金板材，研究了TZM 合金的高溫力學(xué)性能及其微觀組織。

1 試樣制備及加工

將費(fèi)氏粒度為3 μm高純鉬粉與工業(yè)純-300目 TiC、ZrC粉及純碳粉按比例混合均勻，經(jīng)等靜壓壓制為5 kg的坯料，然后在2 000 ℃下進(jìn)行燒結(jié)，得到密度為9.82 g/cm3、厚度為32 mm的合金坯料，坯料化學(xué)成分見(jiàn)表1。合金坯料在1 300 ℃下進(jìn)行開(kāi)坯，之后經(jīng)軋制得到5 mm板材。軋制后的板材退火溫度為1 200 ℃，退火保溫時(shí)間為2 h。

表1 TZM合金坯料化學(xué)成分

2 試驗(yàn)過(guò)程

材料的高溫拉伸試驗(yàn)在超高溫真空拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，所用標(biāo)準(zhǔn)為GB/ T4338-2006，檢測(cè)溫度為1 100 ℃、1 200 ℃、1 600 ℃；材料的斷裂韌性在YKM-2200設(shè)備上進(jìn)行，所用方法為單邊切口樑三點(diǎn)彎曲法，檢測(cè)溫度為1 100 ℃；材料的高溫持久性能在超高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行，所用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2039-1997，檢測(cè)溫度為1 100 ℃，加載應(yīng)力分別為130 MPa、160 MPa、240 MPa。所有斷口形貌觀察在HITACHIS-3400型掃描電鏡上進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 高溫拉伸性能研究

表2為T(mén)ZM合金板材在1 100 ℃、1 200 ℃和1 600 ℃下的拉伸性能檢測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，在1 100 ℃的高溫下，合金的拉伸強(qiáng)度很好，抗拉強(qiáng)度為552 MPa，延伸率為10.5%；當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度提高到1 200 ℃，合金拉伸強(qiáng)度有所下降，延伸率有所增大，抗拉強(qiáng)度降為487.8 MPa， 延伸率提高到12.8%；隨著檢測(cè)溫度的進(jìn)一步提高，合金強(qiáng)度繼續(xù)下降，延伸率持續(xù)增大，在1 600 ℃下合金抗拉強(qiáng)度只有174.5 MPa，延伸率接近40%。

表2 TZM合金板材高溫拉伸力學(xué)性能

圖1為合金在1 100 ℃、1 200 ℃和1 600 ℃下的拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖1可以看出，TZM合金的高溫拉伸斷口中存在大量韌窩，韌窩中還可觀察到第二相顆粒的存在，這是典型的韌性斷口[7]。另外還可看到隨著拉伸溫度的提高，韌窩尺寸增大、深度增加，這也說(shuō)明此時(shí)合金延伸率提高，這與拉伸性能檢測(cè)結(jié)果相一致。

圖1 TZM合金板材的高溫拉伸斷口形貌

3.2 高溫?cái)嗔秧g性研究

K1C為平面應(yīng)變斷裂韌度，表示在平面應(yīng)變條件下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力[8]。K1C越大，材料的抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力就越強(qiáng)。表3為T(mén)ZM合金1 100 ℃下的斷裂韌性結(jié)果?？梢钥闯觯琓ZM合金的平均高溫?cái)嗔秧g性值為K1C為20.8 MPa·m1/2。

表3 TZM合金板材1 100 ℃下的斷裂韌性

圖2為T(mén)ZM合金斷裂韌性斷口形貌?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)高溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)，試樣斷口有明顯的撕裂棱，同時(shí)還存在一些細(xì)小的解理臺(tái)階。這是一種準(zhǔn)解理斷裂方式[7]，這種裂紋的形成是首先在某一部位產(chǎn)生解理裂紋核，擴(kuò)展成解理刻面，最后以塑性方式撕裂。

圖2 TZM合金高溫?cái)嗔秧g性斷口

3.3 高溫持久性能研究

圖3為T(mén)ZM合金在1 100 ℃下高溫持久強(qiáng)度圖，可以看出，隨著加載應(yīng)力的增大，合金變形速度加快，斷裂時(shí)間減小。當(dāng)加載應(yīng)力為130 MPa時(shí)，合金的斷裂時(shí)間約為400 h；當(dāng)加載應(yīng)力為160 MPa時(shí)，合金的斷裂時(shí)間約為250 h；當(dāng)加載應(yīng)力為240 MPa時(shí)，合金的斷裂時(shí)間約為88 h。

圖3 TZM合金在1 100 ℃下高溫持久強(qiáng)度圖

圖4為加載應(yīng)力為240 MPa，經(jīng)88 h拉斷后的斷口形貌?？梢钥闯觯嚇映志脭嗫谥写嬖诖罅康捻g窩，而且在韌窩中能夠清楚地觀察到第二相粒子的存在，此時(shí)合金的斷裂方式為韌性斷裂。

圖4 TZM合金板材的高溫持久斷裂后的斷口形貌

3.4 與其他高溫模具材料性能對(duì)比

北京航空材料研究院研制的1 100 ℃等溫鍛造模具用材料N3合金的性能如下[9]：1 100 ℃下抗拉強(qiáng)度470 MPa、屈服強(qiáng)度350 MPa、延伸率為5%，1 100 ℃下加載應(yīng)力為70 MPa的持久壽命為213 h。本文研制的TZM合金1 100 ℃下抗拉強(qiáng)度為552 MPa、屈服強(qiáng)度513.8 MPa、延伸率為10.5%，1 100 ℃下加載應(yīng)力為160 MPa的持久壽命為250 h。由此可見(jiàn)，本文研制的TZM合金拉伸強(qiáng)度和持久性能均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于N3合金。

4 結(jié) 論

(1)隨著試驗(yàn)溫度的提高，TZM合金的高溫拉伸強(qiáng)度降低，塑性增加；其高溫拉伸斷裂方式為韌性斷裂。

(2)1 100 ℃下TZM合金的斷裂韌性值為K1C為20.8 MPa·m1/2，其斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。

(3)1 100 ℃下，TZM合金隨著加載應(yīng)力的增加，持久壽命逐漸降低，其高溫持久斷裂方式為韌性斷裂。

(4)TZM合金1 100 ℃下拉伸性能和持久性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)的1 100 ℃等溫鍛造模具用材料，因此可用作1 100 ℃甚至更高溫度的等溫鍛造模具材料。

[1] 張利軍, 常 輝, 薛祥義.等溫鍛造技術(shù)及其在航空工業(yè)中的應(yīng)用[J].熱加工工藝，2010, 39(21):21-24.

[2] 李 青, 韓雅芳, 肖程波,等.等溫鍛造用模具材料的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r[J].材料導(dǎo)報(bào), 2004, 18(4):9-11.

[3] 大內(nèi)清行, 中澤克紀(jì), 王先敬,等.等溫鍛造模材料的高溫特性[J].模具技術(shù)，1987,(1):69-75.

[4] Hans Rydstad,羅國(guó)珍.粉末冶金鉬質(zhì)等溫鍛造模具的性能要求和使用壽命[J].稀有金屬材料與工程，1986，(3): 73-78.

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[7] 趙明汗, 張 繼, 馮 滌.高溫合金斷口分析圖譜[M].北京: 冶金工業(yè)出版社, 2006.

[8] 李 榮, 李正佳.平面應(yīng)變斷裂韌度的試驗(yàn)原理與過(guò)程控制[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè))， 2012，(8) : 664-666.

[9] 趙會(huì)彬, 吳昌新, 郭 靈，等.1 100 ℃等溫鍛造用模具材料的研制[J].材料工程，2009(S1): 18-21.

RESEARCH ON THE HIGH-TEMPERATURES MECHANICAL BEHAVIOR OF TZM ALLOY PREPARED FOR ISOTHERMAL FORGING DIE

FU Jing-bo, CAO Wei-cheng, YANG Qin-li,ZHUANG Fei, ZHANG Xiao

(Technical Center, Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Xi′an 710077,Shaanxi,China)

TZM alloys were prepared by powder metallurgy. The properties of TZM alloy such as tensile properties, fracture toughness and stress rupture at elevated temperatures were investigated in this paper. The results show that the tensile strength of TZM alloy decreases with the test temperature increases and the fracture mechanisms are ductile fracture when the test temperature is not below 1 100 ℃.The creep rupture life of TZM alloy decreases with the loading stress increases at 1 100 ℃. And the fracture toughness of TZM alloy is well. The mechanical properties of TZM alloys at elevated temperatures are superior to the domestic existing materials used for isothermal forging die and TZM alloy can be used as isothermal forging die material with the temperature is 1 100 ℃ or above.

TZM alloy; tensile property; fracture toughness; stress rupture property; isothermal forging

2016-11-25；

2016-12-21

付靜波(1972—)，女，博士，高級(jí)工程師。主要從事鉬及鉬合金研究工作。E-mail：jingbo_fu@126.com

曹維成(1968—)，男，高級(jí)工程師，《中國(guó)鉬業(yè)》編委。E-mail:cao_wch@163.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.01.008

TG146.4+12

A

1006-2602(2017)01-0031-03