鍛造溫度及熱處理制度對TC18管材力學(xué)性能的影響

李農(nóng)

摘 要：文章主要研究鍛造工藝及熱處理制度的變化對TC18管材加工后組織/力學(xué)性能及沖擊性能的影響，研究表明按照工藝二進(jìn)行鍛造后管材采用750℃/40minAC+590-610℃/6hAC制度進(jìn)行熱處理后，管材組織均勻性良好，力學(xué)性能匹配合理，沖擊性能滿足產(chǎn)品使用要求，能生產(chǎn)出滿足航空用壓力容器使用要求的TC18管材。

關(guān)鍵詞：TC18管材；熱處理制度；力學(xué)性能

中圖分類號：TG319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0106-03

Abstract： The effect of forging process and heat treatment on the microstructure/mechanical properties and impact properties of processed TC18 pipe is studied in this paper. The research shows that after the pipe is forged according to process 2， the pipe is heat-treated at 750℃/40minAC+590-610℃/6hAC. The structure uniformity of the pipe is cool， the mechanical properties match reasonably， the impact performance meets the requirements of the product， and the TC18 pipe can be produced to meet the use requirements of the aeronautical pressure vessel.

Keywords： TC18 pipe； heat treatment system； mechanical properties

1 介紹

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及國內(nèi)制造業(yè)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，我國航空航天、海洋探測等領(lǐng)域的發(fā)展速度急速加快，鈦及鈦合金材料具有密度小，比強(qiáng)度高，耐蝕性號和無磁性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和兵器工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]，海洋探測等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，目前迫切需要高結(jié)構(gòu)效益的鈦合金材料，因此高強(qiáng)高韌成為鈦合金發(fā)展的主要方向之一。高強(qiáng)高韌成為鈦合金用于制造飛機(jī)承力構(gòu)件，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重20%以上，人們希望得到更高強(qiáng)度和更高韌性相匹配的鈦合金材料。TC18鈦合金的名義化學(xué)成分為Ti-5Al-4.75Mo-4.75V-1Cr-1Fe，是一種近β型結(jié)構(gòu)鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌、高淬透性，在強(qiáng)化熱處理狀態(tài)下具有較高的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性[4]。該合金退火后的強(qiáng)度與TC4、TC6等合金固溶時效狀態(tài)下的強(qiáng)度相當(dāng)，在1105MPa以上，是退火狀態(tài)下強(qiáng)度最高的鈦合金。主要用于制作鍛件、棒材、管材。本文研究的TC18管材主要用于壓力容器的制作，標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品力學(xué)性能的要求為Rm≥1150MPa，Rp0.2≥1050MPa，A5≥10%，同時對產(chǎn)品制作成壓力容器后要進(jìn)行承壓爆破試驗(yàn)，在項(xiàng)目研究之前生產(chǎn)的TC18管材存在的主要問題是力學(xué)性能指標(biāo)偏高，同時爆破試驗(yàn)?zāi)蛪褐蹈挥嗔枯^小，在研究過程中主要通過鍛造工藝及熱處理工藝的研究掌握TC18管材顯微組織、室溫力學(xué)性能的變化規(guī)律（因承壓爆破試驗(yàn)在管材制備過程中無法實(shí)現(xiàn)主要通過管材沖擊性能檢測進(jìn)行測試），掌握TC18管材技工技術(shù)，生產(chǎn)出滿足用戶需求的合格管材，擴(kuò)寬產(chǎn)品市場。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 管材制備

本文所用生產(chǎn)TC18管材鑄錠采用真空自耗電弧爐熔煉，熔煉次數(shù)為三次，鑄錠規(guī)格為Φ804mm，相變點(diǎn)870℃，鈦合金經(jīng)鍛造、機(jī)加成Φ162棒坯，棒坯經(jīng)擠壓、熱處理機(jī)加至成品規(guī)格。鑄錠主要化學(xué)成分見表1。

鍛造過程采用兩種不同的鍛造工藝，文中稱為工藝一、工藝二，工藝一較工藝二鍛造溫度高。

管材熱處理制度工藝方案采用以下三種：

方案一：750℃/40minAC+590℃/6hAC

方案二：750℃/40minAC+610℃/6hAC

方案三：840℃/40minAC+590℃/6hAC

2.2 試驗(yàn)所用設(shè)備

試驗(yàn)過程用3150噸水壓機(jī)擠壓，采用205箱式電阻爐進(jìn)行熱處理，金屬材料室溫拉伸機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 顯微組織

從工藝一、工藝二不同熱處理制度金相顯微組織可以看出，工藝一按照三種方案熱處理后組織中初生α相含量較少，幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的β粗大組織和部分晶間α，組織均勻性較差；工藝二按照三種熱處理制度處理后組織為等軸α和β轉(zhuǎn)變組織組成的雙態(tài)組織，組織均勻。從不同熱處理制度顯微組織變化可以看出隨著固溶溫度的提高組織中等軸α相的含量明顯減少，β轉(zhuǎn)變組織也變得粗大；時效溫度提高時組織中等軸α相的含量變化不大。

3.2 力學(xué)性能

試驗(yàn)中對工藝一及工藝二按照三個熱處理制度的管材均進(jìn)行室溫力學(xué)性能檢測，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

通過不同加工工藝及不同熱處理制度管材力學(xué)性能測試結(jié)果表明，工藝一加工管材強(qiáng)度較工藝二相同熱處理制度管材強(qiáng)度略高；相同加工工藝管材強(qiáng)度隨固溶溫度的升高而提高，塑性略有降低；隨著時效溫度的提升管材強(qiáng)度略有降低，塑性略有提高，但提升不大[5]。

3.3 沖擊性能

對不同加工工藝及不同而處理制度進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，試驗(yàn)所用試樣擠壓管坯上取樣，采用U型缺口，測試結(jié)果見表3：

表3 不同工藝及熱處理制度沖擊性能測試結(jié)果

從不同工藝及熱處理制度沖擊性能測試結(jié)果可以看出，工藝二沖擊吸收功比工藝一高，固溶溫度提升時沖擊吸收功變化明顯，時效溫度調(diào)整時沖擊吸收功變化不大，說明沖擊吸收功對固溶溫度的變化比較敏感。

4 結(jié)論

（1）TC18管材采用工藝一進(jìn)行鍛造管材，在750-840℃進(jìn)行固溶處理時管材顯微組織為等軸α和β轉(zhuǎn)變組織組成的雙態(tài)組織，組織均勻。

（2）TC18管材采用750℃/40minAC+590-610℃/6hAC制度進(jìn)行熱處理管材力學(xué)性能匹配比較合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fengcang Ma，Siyao lu，Ping Liu，Wei Li，Xinkuan Liu，Xiaohong Chen，Deng Pan，Evolution of strength and fibres orientation of a short-fibres reinforced Ti-matrix composite after extrusion，Materrials&Design，126（2017）297-304.

[2]Fengcang Ma，Siyao lu，Ping Liu，Wei Li，Xinkuan Liu，Xiaohong Chen，Deng Pan， Weijie Lu，Di Zhang，Microstucture and mechanical properties variation of TiB/Ti matrix composite by thermo-mechanical processing in beta phase fieid Journai of Alloys and Compounds，695（2017）.

[3]Fengcang Ma，Siyao lu，Ping Liu，Wei Li，Xinkuan Deng Pan， Weijie Lu，Di Zhang， Strengthening effects of TiC particle and microstructure refinement in in situ TiC-reinfored Ti matrix composites，Material Characterization，127（2017）.

[4]鄒武裝，謝曉光，謝湘云，等.鈦手冊7[Z].361-362.

[5]王曉燕，郭洪鎮(zhèn)，袁士，等.等溫鍛造對TC18鈦合金組織性能的影響[J].鍛壓技術(shù)，2008，6（3）：8.