自由鍛工藝及“O”含量對TC4薄壁環材沖擊韌性的影響

　　2015/7/9 17:03:10

　　前言

　　TC4鈦合金名義化學成分為Ti-6Al-4V, 是一種應用最為廣泛的鈦合金, 它在鈦合金產品中占60%左右。但是由于TC4鈦合金的抗沖擊韌性差，嚴重限制了其更廣泛應用[1～2]。目前，通過不同熱處理制度來調節TC4鈦合金沖擊韌性的研究較多，但由于國內TC4鈦合金在飛機上的應用一般都僅采用普通退火處理，所以通過選擇TC4鈦合金的化學成分范圍及通過加工手段改善顯微組織狀態和晶粒形狀及尺寸對調節該材料的綜合性能的影響研究具有重要的意義[3～5]。為了獲得具有良好沖擊韌性的TC4薄壁環材，作者進行了不同“O” 含量和不同鍛造工藝對TC4薄壁環材沖擊韌性的影響研究，為某些飛機部件的工程化生產和產品組織和性能優化提供參考依據。

　　1 實驗材料與方法

　　1.1 實驗材料

　　實驗用材料選用寶雞鈦業股份有限公司生產的兩組不同“O”含量Ф720㎜鑄錠，鑄錠經3次真空自耗熔煉，化學成分及相變點（金相法測定）見表1......

　　1.2 實驗方法

　　A、B兩組坯料，按照合適尺寸進行下料后，分別按照圖2中的3種鍛造方案進行環材制備。在3150t水壓機上經預變形、制坯和成型等工序后，制備為Ф337/Ф298×300㎜規格的薄壁環材。環材熱處理制度為750℃/1h?AC鏡進行觀察......金相試樣所用腐蝕液為10%HNO3 +5%HF +85%H2O。

　　2 試驗結果與分析

　　2.1 顯微組織

　　在不同工藝生產的環材上切取橫向和縱向高倍試樣，分析其顯微組織如圖3所示。從圖3可看出，3種加工方式生產的環材均為兩相區加工組織，都是由初生α相和β轉變組織構成，但其初生α相卻表現出完全不同的形狀。方案1生產的環材初生α球化程度最好，橫、縱向顯微組織都很均勻，初生α含量為75%，直徑10～25μm；方案2的......

　　2.2 沖擊韌性

　　在環材弦向切取沖擊試樣，開口位置分別在環材的外表面（開口垂直于端面，表示為ak⊥）及端面（開口平行于端面，表示為ak∥），每組試驗使用3個平行試樣，結果取平均值。測試數據見圖4。

　　同種鍛造工藝下，高氧含量的環材其沖擊韌性約為低氧含量沖擊韌性的71～81%。這是由于雜質元素含量是影響沖擊韌性的重要因素，雜質元素含量的升高，明顯降低了沖擊韌性值[8]；而相同坯料生產的環材......

　　2.3 斷口形貌

　　環材沖擊試樣宏觀斷口形貌見圖5。沖擊斷口呈灰色，均可分為3個區域，纖維區、放射區以及剪切唇。

　　其中工藝1沖擊試樣的宏觀斷口表面較為平直，纖維區所占面積較大。這也可以定性地反映試樣沖擊韌性的好壞[9]；工藝2平行試樣的撕裂棱沿裂紋擴展方向分布，且與工藝3的斷口表面溝槽分布流線較為明顯，⊥試樣的撕裂棱與裂紋擴展方向垂直，與環材金屬流向完全一致。說明......

　　2.4 斷口組織

　　沖擊試樣的缺口形式對沖擊韌性影響非常大，V形缺口比較尖銳，更能反應材料的缺口和內部缺陷對動態載荷的敏感性。其沖擊功大部分消耗于裂紋的擴展。圖7為低“O”含量坯料，不同工藝下的ak∥沖擊試樣的斷口組織顯微形貌。

　　B1∥試樣由于初生α相尺寸較小，且呈彌散狀不連續分布。由于初生α相晶粒尺寸小(約為10～25μm)，因此，晶粒邊界或相界處的微裂紋不大可能對裂紋擴展產生有效的偏轉，從而對沖擊韌性起到改善作用[10～11]。但是，與B2和B3兩種組織狀態相比......

　　3 結論

　　(1). 兩相區變形量對TC4鈦合金組織形態影響較大。增加變形量可使環材組織更加均勻細小，并提高等軸化程度。較小的兩相區變形量形成交錯的集束狀組織；

　　(2). 沖擊韌性斷口表現為典型的韌性斷裂特征，細小等軸狀組織的沖擊韌性較高。交錯的集束狀組織可通過改變裂紋擴展路徑來改善材料沖擊韌性。總體而言，不同組織狀態下沖擊韌性變化不大。

　　(3). 環材的最終成型采用芯軸拔長工藝，具有較強的金屬流線，這對沖擊韌性產生的影響較大。開口方向平行于環材端面的沖擊韌性是垂直方向的**～**......

　　(4). ”O”含量的增加，可明顯降低TC4薄壁環材的沖擊性能。在試驗范圍內，”O”含量從0.12%提升至0.17%，可使薄壁環材沖擊韌性降低約......