鈦合金深冷及冷熱循環(huán)處理研究

陳振華+謝配孺+姜勇+陳鼎

摘要：通過模擬空間特殊環(huán)境，對純鈦、TA7，TC4和TC10鈦合金在深冷處理及冷熱循環(huán)處理環(huán)境下的顯微組織及力學(xué)性能進行了研究；并進行了維氏硬度觀察及金相組織、XRD，掃描電鏡分析.結(jié)果表明：深冷及冷熱循環(huán)處理可以改善鈦合金的顯微組織，也可以提高其力學(xué)性能，同時冷熱循環(huán)處理可以引起純鈦孿晶增生的現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞：鈦合金；深冷處理；冷熱循環(huán)處理；XRD；顯微組織

中圖分類號：TB31 文獻標識碼：A

與其它傳統(tǒng)金屬合金相比，鈦合金因密度小、比強度高、耐高溫、耐蝕、無磁、可焊等優(yōu)異的綜合性能在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如發(fā)動機的葉片、機匣、機身的框梁等

1實驗材料與方法

實驗用材料購自東莞市鴻鈦鈦合金金屬有限公司生產(chǎn)的軋制態(tài)純鈦、TA7，TC4和TC10鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示.本文通過模擬空間特殊環(huán)境，來研究深冷處理和冷熱循環(huán)處理對純鈦、鈦合金的微觀組織及性能的影響.根據(jù)文獻所給的信息：鈦及鈦合金材質(zhì)的航天裝備在空間特殊環(huán)境下使用時，其向陽面的溫度大概在400 K左右，所以冷熱循環(huán)熱處理中的熱處理設(shè)定溫度為400 K；而在背陽面時溫度低至液氮溫度，根據(jù)文獻資料和前期研究基礎(chǔ)，將深冷處理溫度定為液氮溫度（約80 K）. 本文采用的深冷處理方法為急冷急熱法，即將試樣從室溫直接浸入液氮中保溫一段時間后取出，在空氣中自然回復(fù)到室溫.而冷熱循環(huán)處理方法即將試樣直接浸入液氮中保溫12 h后取出，在空氣中回復(fù)到室溫，緊接著將試樣置于溫度為400 K的熱處理箱中保溫12 h后取出再浸入液氮中，依次循環(huán).兩種工藝路徑的處理時間為1～60 d，期間取10個時間點取樣，分別為1 d，3 d，5 d，7 d，11 d，18 d，30 d，40 d，50 d，60 d（d代表Day），然后進行組織和性能的對比分析.為了消除試樣內(nèi)應(yīng)力和組織性能的均勻化，在實驗前對試樣進行了去應(yīng)力退火處理工藝，具體參數(shù)見表2.并采用401 MVA型維氏顯微硬度儀、Y500型Xray衍射儀、金相儀、掃描電鏡對深冷處理及冷熱循環(huán)處理前后試樣的力學(xué)性能和顯微組織進行檢測并分析.

2結(jié)果與分析

2.1顯微硬度

對未處理和深冷及冷熱循環(huán)處理1 d，3 d，5 d，7 d，11 d，18 d，30 d，40 d，50 d，60 d的4種鈦合金試樣分別進行顯微硬度測量（HV0.2），多次測量取平均值（10～15個點）.表3 給出了TA7，純鈦，TC10和TC4鈦合金經(jīng)長時間深冷處理及冷熱循環(huán)處理前后的顯微硬度最大增長百分比.實驗結(jié)果表明：深冷處理及冷熱循環(huán)處理可以提高某些鈦合金的顯微硬度，如純鈦、TA7；而對α+β系鈦合金的顯微硬度影響不明顯，如TC4，TC10.但不是深冷及冷熱循環(huán)時間越長越好，而是存在一個最佳的深冷及冷熱循環(huán)時間.對純鈦，其最佳冷熱循環(huán)時間為3 d，硬度從18.92上升到21.14，提高了11.7%；對TA7，其最佳深冷時間為11 d，顯微硬度從24.59增加到26.67，提高了8.45%.而TC4和TC10的硬度值最大變化不超過5%，可以認為在實驗誤差范圍之內(nèi)而忽略不計.

2.2微觀組織

為了探討深冷處理及冷熱循環(huán)處理對鈦合金顯微硬度的作用機理，對顯微硬度變化較為明顯的試樣和未經(jīng)處理的試樣進行顯微組織觀察，并進行比較與分析.圖1（a，b）為純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理前后的顯微組織，其中（a）為原始樣的金相組織，（b）為冷熱循環(huán)處理3 d的金相組織，在冷熱循環(huán)處理之前所有試樣均經(jīng)過退火處理，晶粒內(nèi)部有少許孿晶，并殘留了部分殘余應(yīng)力（如圖1（a）所示），而經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d后，孿晶數(shù)量明顯增多（如圖1（b）所示）.同時，每一次冷熱循環(huán)都會產(chǎn)生變形而使試樣原有的殘余應(yīng)力降低.Gu等

2.3SEM分析

為了探討冷熱循環(huán)處理對純鈦顯微硬度提高的作用機理，選擇顯微硬度變化較為明顯的冷熱循環(huán)處理3 d的試樣和未經(jīng)過處理的試樣進行掃描電鏡分析.圖3給出了純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d前后試樣的掃描電鏡和能譜照片.圖3（a）為純鈦原始樣的形貌，晶界與孿晶上均勻分布著白色條狀物，如黑色圓圈位置所示；圖3（b）為純鈦冷熱循環(huán)處理3 d后的形貌，同樣，晶界與孿晶上彌散分布著白色顆粒，經(jīng)過能譜分析，晶界及孿晶上的白色物質(zhì)為TiN，而且經(jīng)冷熱循環(huán)處理后的試樣N的含量明顯增多.由此可知，純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理之后，N在孿晶和晶界處發(fā)生了聚集現(xiàn)象；同時TiN的形貌也發(fā)生了明顯變化，由原來的條狀轉(zhuǎn)變成了顆粒狀.這可能是導(dǎo)致純鈦顯微硬度提高的又一原因.

（a） 純鈦原始樣SEM

3結(jié)論

本文對軋制態(tài)純鈦、TA7，TC10和TC4鈦合金的深冷及冷熱循環(huán)處理進行了研究和討論，結(jié)論如下：

1）合適的冷熱循環(huán)處理時間可以提高純鈦的顯微硬度值.其最佳冷熱循環(huán)處理時間為3 d，試樣顯微硬度值提高11.7%，其顯微硬度的升高是孿晶數(shù)量的增多、晶界及孿晶位置氮化物形貌及N含量增多等綜合作用的結(jié)果.

2）選擇合適的深冷處理時間可以提高TA7的硬度值.其最佳深冷時間為11 d，顯微硬度從24.59提高到26.67，漲幅8.45%.其顯微硬度提高的作用機理主要表現(xiàn)在深冷處理后晶粒的長大、殘余應(yīng)力的消除及晶粒轉(zhuǎn)向的偏轉(zhuǎn).

3）鈦合金在深冷處理過程中會有形成亞晶結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，從而使晶粒細化，形成細晶強化，提高鈦合金材料的顯微硬度.

4）鈦合金TA7經(jīng)深冷處理11 d后有些晶粒發(fā)生了向（002）晶面取向的偏轉(zhuǎn)；純鈦經(jīng)冷熱循環(huán)處理3 d后某些晶粒發(fā)生了向（101）晶面取向的偏轉(zhuǎn).

參考文獻

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