Ti-600合金熱暴露前后室溫拉伸性能及變形機(jī)制研究

曾立英，洪 權(quán)，戚運(yùn)蓮，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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Ti-600合金熱暴露前后室溫拉伸性能及變形機(jī)制研究

曾立英，洪 權(quán)，戚運(yùn)蓮，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了Ti-600合金鐓制餅材600 ℃熱暴露前后室溫拉伸性能與組織的變化，并分析了其室溫拉伸變形機(jī)制。研究結(jié)果表明，600 ℃熱暴露100 h后，毛坯熱暴露試樣的強(qiáng)度較熱暴露前的固溶時效試樣(STA)提高了3%左右，延伸率的保持率為81.1%；試樣熱暴露試樣的強(qiáng)度稍有降低，延伸率的保持率僅為55.6%。600 ℃熱暴露100 h前后，Ti-600合金鐓制餅材的組織變化不明顯，熱暴露后其原始β晶粒尺寸較之前的稍有長大。STA狀態(tài)下晶界與板條較平直，熱暴露后少數(shù)板條彎曲，并且板條較短較細(xì)小。試樣熱暴露試樣組織內(nèi)的α相與β板條比毛坯熱暴露試樣的粗大。經(jīng)分析，Ti-600合金熱暴露前后室溫拉伸變形時主要的變形機(jī)制是位錯穿越α束滑移以及位錯柱面滑移。

Ti-600合金；拉伸性能；熱穩(wěn)定性；變形機(jī)制

0 引 言

Ti-600合金是西北有色金屬研究院研發(fā)的一種可在600 ℃下長期使用的近α型高溫鈦合金，可用作先進(jìn)發(fā)動機(jī)的高溫結(jié)構(gòu)材料。目前，關(guān)于Ti-600合金顯微組織和機(jī)械性能研究的報道較多[1-2]，關(guān)于高溫長時間熱暴露后合金熱穩(wěn)定性能的研究也有少量報道[3-4]，但關(guān)于熱暴露前后合金室溫拉伸變形機(jī)制的報道較少。因此，有必要對Ti-600合金熱暴露前后的室溫拉伸性能進(jìn)行研究，了解熱暴露前后其室溫拉伸變形機(jī)制。

本研究著重探討Ti-600合金鐓制餅材固溶加時效處理后、以及經(jīng)600 ℃熱暴露100 h后的室溫拉伸性能，結(jié)合對其金相組織、位錯結(jié)構(gòu)等的觀察結(jié)果，分析Ti-600合金高溫長時間熱暴露前后的室溫拉伸變形機(jī)制，旨在深入了解該合金熱暴露前后顯微組織的變化以及熱暴露對合金拉伸性能的影響，從而更好地了解該合金的性能-組織關(guān)系，以便指導(dǎo)相似高溫鈦合金的設(shè)計和研制。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為西北有色金屬研究院研制的Ti-600合金棒材。首先經(jīng)三次重熔得到φ420 mm鑄錠，再經(jīng)β相區(qū)開坯鍛造后，在α+β兩相區(qū)軋制獲得φ100 mm Ti-600合金棒材，其名義成分為Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y，β轉(zhuǎn)變溫度Tβ約為1 010 ℃。最后將棒材在980 ℃下鐓制成φ220 mm餅材，變形量為79.3%。

在鐓制餅材上切取試樣，并對所有試樣進(jìn)行固溶時效處理(STA，1 020 ℃×1 h/AC+650 ℃×8 h/AC)，得到STA試樣。隨后將部分STA試樣在600 ℃下熱暴露100 h，獲得毛坯熱暴露試樣與試樣熱暴露試樣，分別進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)。其中，毛坯熱暴露試樣是指經(jīng)STA處理后直接進(jìn)行熱暴露獲得的試樣，將此試樣去除氧化皮加工成拉伸試樣后再進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸過程中這種試樣表面不含氧化皮；試樣熱暴露試樣是指經(jīng)STA處理后首先加工成拉伸試樣，再進(jìn)行熱暴露，最后直接進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸過程中這種試樣表面含有氧化皮。

所有STA試樣與熱暴露試樣的室溫拉伸測試均采用標(biāo)距25 mm、直徑5 mm的棒狀樣品。在Instron-1185型電子拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變速率為3.3×10-3s-1。采用奧林巴斯PMG-3型顯微鏡觀察試樣的金相組織，JEM200CX型透射電鏡觀察試樣的顯微組織。用于組織觀察的試樣均截取于拉伸試樣的縱剖面，距離斷口2～5 mm處。其中，透射電鏡樣品的具體制備方法如下：通過線切割切取0.3 mm的薄片，將薄片機(jī)械研磨至40～50 μm，采用雙噴電解裝置進(jìn)行電解拋光，電解液為V(高氯酸)∶V(甲醇)∶V(正丁醇)=1∶ 10∶ 6，溫度-30 ℃，電壓50 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱暴露前后Ti-600合金的拉伸性能

表1為Ti-600合金餅材熱暴露前STA狀態(tài)下以及熱暴露后的室溫拉伸性能。由表1可以看出，STA狀態(tài)下，Ti-600合金具有適中的強(qiáng)度和較高的塑性。600 ℃×100 h熱暴露后，毛坯熱暴露試樣的室溫抗拉強(qiáng)度(Rm)和屈服強(qiáng)度(Rp0.2)略有提高，但增幅小于3%，延伸率(A)和斷面收縮率(Z)均有所下降。A從STA狀態(tài)的9.0%降到了7.3%(保持率為81.1%)，Z從STA狀態(tài)的16.3%降到了5.5%(保持率為33.7%)。試樣熱暴露試樣的Rm較STA試樣略有降低，但塑性明顯降低，A和Z均為5.0%(保持率分別為55.6%和30.7%)。

表1 Ti-600合金600 ℃熱暴露100 h前后的室溫拉伸性能

合金的熱穩(wěn)定性分為組織穩(wěn)定性和表面穩(wěn)定性兩個方面，而影響高溫鈦合金熱穩(wěn)定性的因素有兩個，即高溫長時間熱暴露過程中的表面滲氧以及內(nèi)部顯微組織的變化。對于試樣熱暴露試樣則包含上述兩種變化，而毛坯熱暴露試樣只包含顯微組織變化。毛坯熱暴露試樣在加工成拉伸試樣的過程中去除了表面富氧層的影響，但在600 ℃×100 h的熱暴露過程中，組織內(nèi)部析出了硅化物等析出相[2]，使合金強(qiáng)度提高，塑性降低。這表明毛坯熱暴露試樣熱暴露過程中顯微組織的變化使合金的強(qiáng)度增加、塑性降低。而試樣熱暴露試樣除內(nèi)部存在硅化物等析出相外，試樣表面還存在脆性富氧層，富氧層易誘發(fā)細(xì)微裂紋，使試樣過早斷裂，宏觀上表現(xiàn)為合金強(qiáng)度有所降低、塑性明顯下降。

2.2 熱暴露前后Ti-600合金的金相組織

圖1為熱暴露前STA狀態(tài)下以及熱暴露后Ti-600合金的金相(OM)組織。熱暴露前，合金餅材經(jīng)1 020 ℃×1 h/AC+650 ℃×8 h/AC的固溶時效處理后，其組織為片層狀組織，由交替編織排列的片層狀α相和殘余β相構(gòu)成，晶粒尺寸超過100 μm。

600 ℃熱暴露100 h后，不論是毛坯熱暴露試樣還是試樣熱暴露試樣，其OM組織與STA試樣的沒有本質(zhì)區(qū)別，只是熱暴露后試樣的原始β晶粒尺寸稍有長大。STA狀態(tài)下晶界與板條相對平直一些，熱暴露后少數(shù)板條發(fā)生彎曲現(xiàn)象，板條較短較細(xì)小。這表明Ti-600合金具有組織穩(wěn)定性。由文獻(xiàn)[3]可知，與毛坯熱暴露試樣相比，試樣熱暴露試樣表面有滲氧層，熱暴露過程中合金的晶粒相對易于長大，因此，對比發(fā)現(xiàn)，試樣熱暴露試樣的α相與β板條比毛坯熱暴露試樣的粗大。熱暴露后表面氧化對合金拉伸性能的影響可能會大一些，這與文獻(xiàn)[3]的結(jié)果也是吻合的。

圖1 熱暴露前后Ti-600合金餅材試樣的金相照片F(xiàn)ig.1 Optical morphologies of Ti-600 alloy pancake before and after being exposed at 600 ℃ for 100 h

2.3 熱暴露前后Ti-600合金的變形機(jī)制

文獻(xiàn)指出，高溫鈦合金的變形主要是通過原始β晶粒的晶界滑移、位錯在α相中的滑移以及α/β相界面滑移這三種方式實(shí)現(xiàn)的[5]。熱暴露前后，上述三種變形機(jī)制在合金的總變形中所占比重不同，不同工藝與實(shí)驗(yàn)條件下，三種變形機(jī)制對合金變形方式的影響也有所不同。圖2為Ti-600合金STA、毛坯熱暴露與試樣熱暴露試樣中的位錯形貌。由圖2可見，無論哪種試樣，在室溫拉伸變形實(shí)驗(yàn)后合金內(nèi)均存在長距離滑移現(xiàn)象。

圖2 Ti-600合金餅材位錯長距離滑移形貌Fig.2 Morphologies of long distance slips for dislocations in Ti-600 alloy pancake

圖3 Ti-600合金α相中典型的位錯柱面滑移Fig.3 Typical prismatic slips of disloctions in α phase of Ti-600 alloy pancake

3 結(jié) 論

(1)600 ℃熱暴露100 h以后，Ti-600合金鐓制餅材毛坯熱暴露試樣的強(qiáng)度較STA試樣提高3%左右，延伸率從STA狀態(tài)的9.0%降低至7.3%，保持率為81.1%；試樣熱暴露試樣的強(qiáng)度稍有降低，但塑性降低幅度較大，延伸率降低至5%，保持率僅為55.6%。

(2)600 ℃熱暴露100 h前后，Ti-600合金鐓制餅材的金相組織差別不大，具有組織穩(wěn)定性。熱暴露后試樣的原始β晶粒尺寸稍有長大。STA狀態(tài)下晶界與板條較平直；熱暴露后少數(shù)板條彎曲，板條較短較細(xì)小。試樣熱暴露后，合金內(nèi)α與β板條比毛坯熱暴露的粗大。

(3)熱暴露前后室溫拉伸變形時，位錯穿越α束滑移以及位錯柱面滑移是Ti-600合金主要的變形機(jī)制。

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Tensile Properties and Deformation Mechanism at Ambient Temperature for Ti-600 Alloy Before and After Thermal Exposure

Zeng Liying, Hong Quan, Qi Yunlian, Mao Xiaonan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

Tensile testes were carried out at ambient temperature on Ti-600 alloy before and after being exposed at 600 ℃ for 100 h. Morphologies were investigated and deformation mechanism was also analyzed. The results indicate that the strength of the sample without oxidizing layers increases 3% or so, the retention rate of elongation is 81.1% for the alloy exposed at 600 ℃ for 100 h. While for the sample with oxidizing layers, the strength decreases a little bit, the retention rate of elongation is only 55.6%. The morphologies of the alloy after being exposed at 600 ℃ for 100 h are almost the same as that of the alloy before thermal exposure. The size of primary transformedβgrains becomes a little bigger after thermal exposure. The grain boundaries,αandβlathes are plain and flat, while some of which are with curve shape, short and fineαandβlathes can be found. And lathes in the samples with oxidizing layers are coarse than that in the samples without oxidizing layers. During the tensile deformation process at ambient temperature prior to and after long time high temperature thermal exposure, the main deformation mechanisms for the Ti-600 alloy are not only the slips of dislocation across theαclusters, but also prismatic slips of dislocations.

Ti-600 alloy；tensile properties；thermal stabilities；deformation mechanism

2014-03-18

陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計劃“鈦合金研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”(2012KCT-23)

曾立英(1970—)，女，教授級高工。