TC4鈦合金棒材的高溫蠕變性能

李 榮,張雪華,武晶晶,李正佳

(西部金屬材料股份有限公司,寶雞721014)

TC4鈦合金棒材的高溫蠕變性能

李 榮,張雪華,武晶晶,李正佳

(西部金屬材料股份有限公司,寶雞721014)

伴隨著航空工業的發展,高溫鈦合金的需求也持續增長,其高溫蠕變性能直接影響著材料的研發和使用。試驗對現階段應用范圍最廣的TC4鈦合金棒材進行了蠕變試驗,分析了在400℃及一定殘余變形條件下,該材料的總延伸率、殘余變形應力與時間的關系。結果表明:在400℃時,TC4鈦合金棒材的蠕變穩定過程所需時間隨著試驗應力的增加而變短;穩態蠕變速率隨著試驗應力的增加而增大;在規定0.1%和0.2%殘余變形的條件下,試驗階段內試驗應力與試驗時間在取對數的情況下呈近似線性關系。

TC4鈦合金;蠕變性能;總延伸率;應力;時間

伴隨著航空工業的發展,高端高溫合金的需求也日益旺盛。高溫鈦合金由于其比強度高的特點,在航空領域得到廣泛應用。尤其是在航空發動機內應用高溫鈦合金,可以減小發動機的質量,提高燃油輸出功率,減小噪聲。國內外主要的高溫鈦合金有美國的Ti-1000、英國的IMI834、俄羅斯的BT36和中國的Ti600等,這些鈦合金在高溫下都具備較高的瞬時強度和蠕變強度[1-2]。

高性能TC4鈦合金棒材作為現階段應用范圍最廣的高強度鈦合金型材,通過改變其合金元素含量,改進加工工藝,可以獲取更好的高溫性能,這在實際生產和研發中具有重要的意義。對于不同成分及加工工藝的TC4鈦合金,測試其是否具有符合實際生產規定的蠕變性能也具有重要的意義。

由于現階段TC4鈦合金主要在400℃下服役,筆者測試了其在該溫度下的多應力蠕變數據,繪制在一定殘余變形下的時間-應力曲線,并對TC4鈦合金的蠕變性能進行了分析討論。

1 試驗原理與試驗方法

1.1 試驗原理

一般的蠕變試驗是在一定溫度下,沿試樣的軸線方向施加恒定拉應力并保持一定的時間,以獲得試樣產生的總伸長或殘余伸長[3]及蠕變斷裂時間。

該文中的蠕變區間曲線是指,在規定的試驗溫度、規定的蠕變殘余變形的前提下,建立階段試驗應力與試驗時間的關系。

1.2 試驗方法

鑒于現有的TC4鈦合金棒材的主要使用溫度為400℃,界定失效條件為0.1%蠕變殘余變形(35 h)和0.2%蠕變殘余變形(100 h)[4-5]。選用原始直徑為20 mm的TC4鈦合金棒材,經熱處理(780℃保溫1.5 h后空冷)后加工成直徑為10 mm的蠕變試樣,在RD2型蠕變試驗機上進行蠕變試驗,試驗機力值精度0.5級,同軸度偏差小于6%。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

基于以上各種試驗數據,測試該試樣在400℃時各應力下的總延伸率與時間的關系,結果見圖1。對圖1的結果進行計算,可得400℃下TC4鈦合金的彈性變形,結果見表1。

圖1 400℃時TC4鈦合金棒材總延伸率和時間曲線Fig.1 Curves of total elongation and time of TC titanium alloy bars at 400℃

表1 400℃時不同應力下TC4鈦合金棒材的彈性變形Tab.1 Elastic deformation of the TC4 titanium alloy bars under different stress at 400℃

由于蠕變試驗中總延伸率是由塑形變形與彈性變形組成,蠕變試驗過程中可直接測得的只有總延伸率,假定蠕變試驗過程中在應力一定的情況下彈性變形不變。利用表1的數據,測定規定0.1%和0.2%殘余變形的條件下觀察總延伸率的數值,選擇終止試驗時間。所得到的應力與對應的試驗時間見表2,依據該結果,繪制在規定溫度下規定殘余變形的應力與時間曲線,見圖2。

表2 400℃時TC4鈦合金棒材蠕變試驗數據Tab.2 Creep test data of TC4 titanium alloy bars at 400℃

圖2 400℃時TC4鈦合金棒材蠕變殘余變形應力和時間曲線Fig.2 Curves of residual deformation stress and time of TC4 titanium alloy bars at 400℃

2.2 討論

圖3反映了一般蠕變試驗3個階段的典型曲線, 3個階段分別為:①I階段,加速度減小、速度增大直至加速度為零、速度恒定,曲線表現為斜率變小且趨勢變緩;②II階段,加速度為零,速度恒定增大,曲線表現為斜率恒定;③III階段,加速度變大,速度增大至試樣斷裂,曲線表現為斜率變大且趨勢加快[5]。

該試驗中,圖1所示的總延伸率和時間曲線明顯處于典型曲線的I～II階段。分析各應力下的蠕變試驗曲線可見,伴隨著應力增加,曲線斜率增大,斜率變定值的時間變長。對照蠕變試驗的曲線特點可知,在該試驗溫度和試驗應力條件下,蠕變試驗發生在蠕變的I～II階段,伴隨著試驗應力的增加,蠕變I階段時間變長,II階段的穩態蠕變速率變大。

依據總延伸率為彈性變形與塑形變形之和的原理,在規定蠕變殘余變形為0.1%和0.2%的前提下,測定選擇試驗的終止時間。在試驗結束后測試所得的塑形變形均在0.1%±0.005%和0.2%± 0.008%,在各個應力條件下均完成了6個試驗,雖然試驗時間均有差別,但試驗所得的塑形變形相對變化不大。因此試驗結果表明,在該試驗條件下, TC4鈦合金棒材的彈性變形在一定應力下不隨時間的增加而變化。

圖3 一般蠕變試驗的總延伸率和時間曲線Fig.3 Curve of total elongation and time of general creep tests

對圖2中的時間和應力數值取對數后發現,應力和時間成近線性關系,依據圖2中的曲線關系,可在規定時蠕變殘余變形為0.1%和0.2%的前提下獲取一定應力下TC4鈦合金的安全服役時間,或預期服役時間下的安全應力。

鑒于TC4鈦合金棒材高溫使用環境的一致性,以及其高溫變形行為的一致性[5-7],在測定其他TC4鈦合金棒材的蠕變性能時可參照該方法。

3 結論

(1)TC4鈦合金棒材的蠕變穩定過程所需時間隨著試驗應力的增加而變短,穩態蠕變速率隨著試驗應力的增大而變大。

(2)TC4鈦合金棒材在400℃、規定0.1%和0.2%殘余變形的條件下,試驗階段內試驗應力與試驗時間在坐標值取對數的情況下成近似線性關系。在一定試驗應力的條件下,彈性變形不隨試驗時間的變化而變化。

(3)在有限試樣條件下,可利用該方法測定TC4鈦合金棒材在規定使用條件下的蠕變性能。

[1] 許國棟,王鳳娥.高溫鈦合金的發展和應用[J].稀有金屬,2008,32(6):774-780.

[2] 惠松驍,張翥,蕭今聲,等.高溫鈦合金熱穩定性研究[D].北京:北京有色金屬研究總院,1999.

[3] GB/T 2039—2012 金屬拉伸蠕變及持久試驗方法[S].

[4] GJB 2218A—2008 航空用鈦及鈦合金棒材和鍛坯規范[S].

[5] 汪軍.鈦合金蠕變行為研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,1999.

[6] 馬紅征,黃張紅,曲恒磊,等.軋制TA10鈦合金管開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(3): 223-226.

[7] 張立新,孫奇,田野,等.K444鑄造高溫合金的高溫蠕變性能[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(8):510-515.

Creep Property of TC4 Titanium Alloy Bars at High Temperature

LI Rong,ZHANG Xue-hua,WU Jing-jing,LI Zheng-jia
(Western Metal Materials Co.,Ltd.,Baoji 721014,China)

With the development of aviation industry,the demand of high-temperature titanium alloy continues to grow,and its creep property at high temperature directly affects the development and use of this material.The creep tests carried out on the TC4 titanium alloy bars which had the widest application range.The relationship of total elongation,residual deformation stress and the time of this material was analyzed under the condition of 400℃and certain residual deformation.The results show that:at the temperature of 400℃,the time required for the creep stability of TC4 titanium bars at 400℃got shorter with the increase of test stress;the steady creep strain rate increased with the increase of test stress;under the condition of the specified residual deformation of 0.1%and 0.2%,the test stress had a approximate linear relation with the test time in the test stage after taking logarithm.

TC4 titanium alloy;creep property;total elongation;stress;time

TG115.5+7

:A

:1001-4012(2017)01-0014-03

10.11973/lhjy-wl201701004

2016-08-09

李榮(1984—),男,工程師,主要從事稀有金屬檢測及工藝評估工作,273647279＠qq.com。