熱處理和航空用TC4鈦合金薄板力學(xué)性能關(guān)系分析

馮欣俁

摘 要 隨著我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展，很多新材料工藝應(yīng)用到航空發(fā)達(dá)動機(jī)部件中，鈦合金超塑性成型結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)等構(gòu)件中得到應(yīng)用，研究TC4鈦合金薄板經(jīng)普通退貨，β單相區(qū)固溶加普通退火處理，纖維組織與力學(xué)性能關(guān)系。普通退火處理對TC4鈦合金板顯微組織影響較小，β單相區(qū)固溶加普通退化處理能獲得魏氏組織，TC4鈦合金薄板具有較低的疲勞擴(kuò)展速率。

關(guān)鍵詞 TC4鈦合金;力學(xué)性能;航空結(jié)構(gòu)

鈦合金具有較高的比強(qiáng)度，優(yōu)異的抗蝕性，在航空航天等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。TC4鈦合金板材及制品大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件，隨著損傷容限設(shè)計在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對鈦合金抗疲勞裂紋擴(kuò)展性提出更高的要求。目前國內(nèi)廣泛采用α相區(qū)退火工藝處理TC4鈦合金薄板，針對3mm后TC4鈦合金薄板，開展α+β相區(qū)熱處理條件下板材組織性能關(guān)系研究，重點分析熱處理制度對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，為顯微組織及航空結(jié)構(gòu)件選材提供依據(jù)。

1鈦合金TC4特點與應(yīng)用

鈦合金擁有優(yōu)良的綜合性能，備受航空業(yè)青睞。隨著超音速飛行器出現(xiàn)，對飛行器及其發(fā)動機(jī)減重要求不斷提高，鈦合金低密高強(qiáng)特性迎合航天器減重趨勢，TC4鈦合金常溫下塑性成形性能較差，化有限元模擬節(jié)點下壓成型工藝，對推動國內(nèi)三維點陣結(jié)構(gòu)研發(fā)制備具有理論意義[1]。

鈦合金是20世紀(jì)中后期發(fā)展使用的結(jié)構(gòu)金屬，以其高比強(qiáng)度，良好的抗蝕性著稱，被稱為太空金屬。鈦合金密度為鋼的60%，抗拉強(qiáng)度達(dá)1000Mpa，鈦合金使用溫度區(qū)間更廣，使其在航空領(lǐng)域迅速成為鋼鐵的替代品。21世紀(jì)以來，鈦合金在航天器的應(yīng)用比重明顯提升。F22戰(zhàn)機(jī)機(jī)身鈦量達(dá)41%，對降低飛行油耗發(fā)揮重要作用。我國是世界上鈦資源儲量最高的國家，2010年鈦加工材躍居世界首位，隨著軍機(jī)升級換代，我國對高端鈦合金型材需求持續(xù)增長。鈦合金分為三類，α相鈦合金焊接性能好，但α相為密排六方晶體，塑性較差，主要代表合金為TA4，β相鈦合金為體心立方體，時效強(qiáng)化后兼?zhèn)涓唔g性，缺點的冶煉困難，代表合金為TB2，α+β鈦合金添加β相穩(wěn)定元素，如Mo，具有良好的綜合性能。符合現(xiàn)代航空材料特點。

鈦合金綜合性能優(yōu)良，必須借助在高溫環(huán)境實現(xiàn)節(jié)點下壓工藝制備點陣結(jié)構(gòu)，鈦合金高溫變形對工藝參數(shù)敏感，應(yīng)變速率對其組織有很大影響，必須對鈦合金熱成形行為進(jìn)行研究，為成形過程有限元模擬提供精確金屬材料。對鈦合金本構(gòu)關(guān)系研究集中于J-C方程，通過拉伸試驗精確表征鈦合金變形行為。21世紀(jì)以來，航空事業(yè)迫切需要結(jié)構(gòu)功能一體化材料推動行業(yè)發(fā)展，三維點陣材料是類似于桁架結(jié)構(gòu)的空間網(wǎng)架，由哈佛大學(xué)教授率先提出。

TC4鈦合金是美國研究所在50年代開發(fā)出的，是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一。TC4鈦合金性能均衡，α相穩(wěn)定元素Al加入有顯著固溶強(qiáng)化作用，β相穩(wěn)定元素V有助于提高合金塑性。TC4鈦合金在航天設(shè)備中應(yīng)用占全部鈦合金加工件的95%。鈦合金良好的生物兼容性使其在汽車，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用，很多高尖端結(jié)構(gòu)用材采用鈦合金材料，我國對鈦合金需求量每年以20%速度增加。

2鈦合金TC4薄板熱處理實驗

實驗采用3mm厚TC4鈦合金薄板，采用金相法測得金相變點為970℃，在α+β區(qū)經(jīng)多道次軋制成。DL-15精密溫度自動控制爐中對TC4鈦合金板進(jìn)行熱處理。工藝①750℃×1h/AC普通退火處理，工藝②920℃×1h/AC+550℃×4h/AC兩相區(qū)固溶加時效處理，工藝③1000℃×40min/AC+730℃×3h/AC為單相區(qū)固溶加退火處理。對熱處理下板材顯微組織，疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行表征。 金相組織采用AXIOVERT200MAT型顯微鏡觀察，裂紋長度采用長焦距顯微鏡讀取。

經(jīng)普通退火后，TC4太和羈絆顯微組織與軋制態(tài)無明顯變化，經(jīng)工藝②處理得到雙態(tài)組織，相變點以上溫度固溶后退火處理得到β晶粒魏氏組織，由于熱處理后冷卻速度快，β晶粒體內(nèi)交織α片層。對熱處理下TC4鈦合金薄板室溫拉伸性能檢測。經(jīng)工藝2處理得到雙態(tài)組織鈦合金板拉伸性能較好[2]。工藝③處理鈦合金板拉伸性能較低。由于α+β相區(qū)處理中，存在β相冷卻中形成次生α片層，α+β相區(qū)處理獲得雙向態(tài)組織鈦合金板具有最高拉伸性能。工藝1處理獲得魏氏組織TC4鈦合金板具有原始β晶粒，使得拉伸強(qiáng)度較低。具有粗大原始β晶粒片層組織TC4鈦合金板da/dN值最低，普通退火da/dN值最高，熱處理下TC4薄板抗裂能力順序為工藝3>工藝2>工藝1。

材料疲勞裂紋擴(kuò)展特征受顯微組織影響，受到粗大原始β晶粒晶體取向影響，降低了da/dN，熱處理獲得雙態(tài)組織中次生α片層對疲勞裂紋擴(kuò)展有阻礙作用。材料裂紋擴(kuò)展阻力KR曲線反映材料抗斷裂能力。KR值超過Kc值材料失穩(wěn)，分析熱處理下TC4鈦合金薄板KR曲線，魏氏組織TC4鈦合金薄板Kc值最高，退火組織Kc值最低，魏氏組織具有裂紋擴(kuò)展阻力最大。

3結(jié)束語

對鈦合金特點及應(yīng)用進(jìn)行介紹，實驗采用不同工藝熱處理條件對TC4鈦合金薄板處理，研究對力學(xué)性能的影響。TC4鈦合金板經(jīng)普通退火處理顯微組織變化較小，經(jīng)單相區(qū)處理獲得β晶粒魏氏組織。兩相區(qū)處理獲得雙態(tài)組織。熱處理下TC4薄板抗裂紋擴(kuò)展能力大小為工藝3>工藝2>工藝1。經(jīng)熱處理TC4板Kc值最高達(dá)191.27Mpa·㎡，經(jīng)工藝1熱處理Kc值最小，抗裂紋擴(kuò)展阻力最小。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳俐.航空鈦合金激光焊接全熔透穩(wěn)定性及其焊接物理冶金研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[2] 王富強(qiáng)，王德勇.熱處理對航空用TC4鈦合金薄板力學(xué)性能影響研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2017，34（2）：24-27.