钛合金高温形变强韧化机理
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3 收到初稿日期 :1998 - 05 - 12 ,收到修改稿日期 :1998 - 08 - 11 作者简介 :周义刚 , 男 , 1930 年生 , 教授
锻后水冷的组织在随后的低温时效过程中分解 ,降低合金 的热稳定性. 因此 , 如何解决钛合金强度 - 塑性 - 韧性的 相互匹配 , 一直是钛合金科学工作者努力解决的课题.
46
金 属 学 报
35 卷
1 高温形变强韧化的设计 文献[5]指出 , 魏氏α的断裂韧性和抗蠕变能力比等
轴α好. 单就提高合金蠕变性能和断裂韧性而言 , 应尽量 增加合金组织中魏氏α相的相对含量 , 但要受塑性下降的 限制 , 等轴初生α含量不能过低. 研究结果证明[6] , 只要组 织中含有 10 % —15 %的等轴α, 塑性不会过于下降 , 超过 20 %对塑性也无裨益 , 而会抑制其它性能的发挥. 因此 , 钛合金强韧化设计的理论基础是将初生 α含量控制在 20 %左右 , 可获得强度 - 塑性 - 韧性的最佳匹配.
p ha (φα) and t heheating temperature of TC11 alloy ● equiaxed α ○ transformed β
(相变点以下 40 ℃左右) , 初生α含量随温度的变化不大 ; 只有当温度升高到相变点以下 10 —15 ℃时 , 初生α才能迅 速降至 10 % —15 % , 加上变形及热处理发生的再结晶增加 的 10 %左右的等轴 α相 , 可以使 α相的总含量控制在 20 %左右.
摘 要 详细研究并讨论了钛合金高温形变强韧化机理. 结果表明 , 三态组织中少量等轴α相与基体β相没有固定的位向关 系 , 位错容易找到可开动的滑移面 , 对变形起着协调作用 , 因而合金具有较高的塑性;大量网篮交织的条状α, 不仅增加了相界 面 , 提高了合金的强度与抗蠕变能力 , 而且不断改变裂纹扩展方向 , 导致裂纹路径曲折、分枝多 , 断裂韧性好. 新的变形理论适 用于α,近α, (α+β) 和近β型钛合金. 关键词 高温形变 , 强韧化机理 , 三态组织 , 钛合金 中图法分类号 T G146. 2 文献标识码 A 文章编号 0412 - 1961 (1999) 01 - 0045 - 48
AN INVESTIGATION OF HIGH - TEMPERATURE DEFORMA2 TION STRENGTHENING AND TOUGHENING
MECHANISM OF TITANIUM ALLOY
Z HO U Y i gang , Z EN G W ei don g , L I Xiaoqi n , Y U Hanqi ng
国内外对(α+β) 钛合金的变形通常是在相变点以下 30 —50 ℃进行 , 称为常规锻造. 常规锻造获得的等轴组织 具有室温强度高、塑性好等优点 , 但其高温性能、抗疲劳裂 纹扩展能力和断裂韧性较差[1]. 50 年代后期 , Croan 等人[2] 提出了β锻造工艺 ,其优点是提高了合金的抗蠕变性能、冲 击和断裂韧性 , 但是明显降低塑性和热稳定性 , 导致“β脆 性”和“组织遗传性”[3]. 60 年代初 , Sheegarev 等人[4]提出的 形变热处理理论 , 有效地提高了合金的强度和韧性 ,但是
第 35 卷 第 1 期 1999 年 1 月
金属学报
ACTA M ETALL U R GICA SIN ICA
Vol. 35 No . 1 J anuary 1 9 9 9
钛合金高温形变强韧化机理 3
周义刚 曾卫东 李晓芹 俞汉清
曹春晓
(西北工业大学材料科学与工程学院 , 西安 710072) (北京航空材料研究院 , 北京 100095)
2 实验结果与分析 2. 1 显微组织
从图 2 可以看到 , 传统的常规锻造获得等轴组织 (图 2a) ,β锻造获得网篮组织(图 2c) , 而近β锻造得到三态组 织(图 2b) . 三态组织是由体积分数 (下同) 分别为 10 % — 20 %的等轴α,50 % —60 %网篮交织的条状α和转变β基 体构成的多层次组织. 等轴α是坯料加热未超过相变点而 被保留下来的 ; 一定宽长比的条状α是变形及冷却产生的 次生α相在均匀化和高温处理时进一步聚集长大形成的. 由于变形后采用快速水冷 , 保留了大量的晶体缺陷 , 因而 结晶核心多 , 条状α和转变β基体中的魏氏α相尺寸细 小、无固定方式排列且呈网篮状交织. 2. 2 力学性能
%
1061 1018 14. 8 46. 2 1087 14. 0 38. 8 1081 12. 0 31. 7
1098 1049 16. 8 43. 8 1109 15. 0 37. 7 1153 16. 6 36. 6
1083 990 12. 8 19. 6 1069 11. 3 17. 0 1094 10. 2 16. 4
TC11( Ti - 6. 5Al - 3. 5Mo - 1. 5Zr - 0. 3Si (质量分 数 , %) )合金等轴初生α含量(φα , 体积分数) 随加热温度 的变化关系见图 1. 由图可以看出 , 加热温度低于 960 ℃时
图 1 TC11 合金加热温度与等轴 α含量的关系 Fig. 1 Correlation between t he volume fraction of equiaxed al2
图 2 常规锻 、近β锻和β锻获得的显微组织 Fig. 2 Optical microstructures developed by conventional forging , near beta forging and beta forging (a) equiaxed microstructure developed by conventional forging (b) tri - modal microstructure developed by near beta forging (c) lamellar microstructure developed by beta forging
本文提出的钛合金高温形变强韧化工艺 (又称近 β锻 造工艺) ,是在相变点以下 10 —15 ℃加热、变形. 为控制变 形温度 , 以坯料的平均相变点确定名义加热温度 , 并采用 金相试样法测定和控制炉温精度. 变形后快淬的锻件经两 次高温加一次低温的强韧化处理后 , 获得由一定数量的等 轴初生α、条状α构成的网篮和转变β基体组成的三态组 织 , 从而克服了以往研究的不足 , 使合金的强度 - 塑性 韧性得以兼顾.
Corres pon dent : Z HO U Y i gang , p rof essor , Tel : ( 029) 8493939 , Fax : ( 029) 8491000 ,
E - m ail : zengjiang @hot m ail . com
Manuscript received 1998 - 05 - 12 ,in revised form 1998 - 08 - 11
1 期
周义刚等 : 钛合金高温形变强韧化机理
47
Forging met hod
Conventional Near β β
表 1 TC11 钛合金的室温拉伸性能和热稳定性 Table 1 Room - temperature tensile and t hermal stability of TC11 alloy
ABSTRACT The high - temperat ure deformation st rengt hening and toughening mechanisms have been investigated. It is found t hat equiaxed alp ha p hases in t ri - modal microst ruct ure have no inherent orien2 taion wit h t ransformed beta mat rix , dislocations can easily find t heir slip plane , so t hey give coordination of materials’deformation , and result in higher ductility. The st riat ure alp ha p hases not only increase t he st rengt h and creep properties , but also change t he cracks’propagation directions , t hus cracks make a more winding way along or cross grain boundary between st riat ure alp ha p hases , and materials show a higher f ract ure toughness. This new deformation t heory applies to α,near α, (α+β) and β titanium alloys. KEY WORDS high - temperat ure deformation , st rengt hening and toughening mechanism , t ri - modal microst ruct ure , titanium alloy
Room - emperature tensile property Thermal stability
σb
σ0. 2
δ
MPa MPa
%
ψ 500 ℃, 100 h 500 ℃, 100 h
%
σb
δ
ψ
σb
δ
ψ
M Pa%%MFra bibliotekPa%
表 2 TC11 钛合金的高温拉伸 、持久和蠕变性能
Table 2 High - temperature tensile σb (t) , duration σb (d) and creep strengt h (ε) of TC11 alloy
Forging met hod
σb (t) ,MPa σb (d) ,MPa ε, % 500 ℃ 520 ℃ 500 ℃, 100 h 520 ℃, 100 h 500 ℃, 100 h ,343 MPa 520 ℃, 100 h ,343 MPa
从表 1 中可以看出 , 等轴α相的含量对室温强度无明 显影响 , 常规、近β和β锻造处于同一水平. 这与 Henning 等人[7]的研究一致. 但其高温性能有明显差异 , 近β锻造 样品 520 ℃的高温性能相当于常规锻造样品 500 ℃的性能水 平. 520 ℃, 100 h , 300 MPa 条件下的蠕变性能明显优于常 规锻造(表 2) ,其原因与三态组织中交织分布的条状α和片 间β条内点状析出物(图 3)阻碍位错滑移有关[8]. 近β锻造 的塑性和热稳定性与常规锻造处于同一数量级 ,即使试样 经过 520 ℃,100 h 热暴露后 ,ψ值仍保持在 30 %左右 , 未出 现脆性和失稳现象(表 1) ; 疲劳 - 蠕变交互作用寿命高于 常规锻造的性能水平 ,主要是拉伸保时过程中蠕变应
College of Materials Science and Engineering , Nort hwestern Polytechnical University , Xi’an 710072
CA O Chu n x iao
Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095
锻后水冷的组织在随后的低温时效过程中分解 ,降低合金 的热稳定性. 因此 , 如何解决钛合金强度 - 塑性 - 韧性的 相互匹配 , 一直是钛合金科学工作者努力解决的课题.
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金 属 学 报
35 卷
1 高温形变强韧化的设计 文献[5]指出 , 魏氏α的断裂韧性和抗蠕变能力比等
轴α好. 单就提高合金蠕变性能和断裂韧性而言 , 应尽量 增加合金组织中魏氏α相的相对含量 , 但要受塑性下降的 限制 , 等轴初生α含量不能过低. 研究结果证明[6] , 只要组 织中含有 10 % —15 %的等轴α, 塑性不会过于下降 , 超过 20 %对塑性也无裨益 , 而会抑制其它性能的发挥. 因此 , 钛合金强韧化设计的理论基础是将初生 α含量控制在 20 %左右 , 可获得强度 - 塑性 - 韧性的最佳匹配.
p ha (φα) and t heheating temperature of TC11 alloy ● equiaxed α ○ transformed β
(相变点以下 40 ℃左右) , 初生α含量随温度的变化不大 ; 只有当温度升高到相变点以下 10 —15 ℃时 , 初生α才能迅 速降至 10 % —15 % , 加上变形及热处理发生的再结晶增加 的 10 %左右的等轴 α相 , 可以使 α相的总含量控制在 20 %左右.
摘 要 详细研究并讨论了钛合金高温形变强韧化机理. 结果表明 , 三态组织中少量等轴α相与基体β相没有固定的位向关 系 , 位错容易找到可开动的滑移面 , 对变形起着协调作用 , 因而合金具有较高的塑性;大量网篮交织的条状α, 不仅增加了相界 面 , 提高了合金的强度与抗蠕变能力 , 而且不断改变裂纹扩展方向 , 导致裂纹路径曲折、分枝多 , 断裂韧性好. 新的变形理论适 用于α,近α, (α+β) 和近β型钛合金. 关键词 高温形变 , 强韧化机理 , 三态组织 , 钛合金 中图法分类号 T G146. 2 文献标识码 A 文章编号 0412 - 1961 (1999) 01 - 0045 - 48
AN INVESTIGATION OF HIGH - TEMPERATURE DEFORMA2 TION STRENGTHENING AND TOUGHENING
MECHANISM OF TITANIUM ALLOY
Z HO U Y i gang , Z EN G W ei don g , L I Xiaoqi n , Y U Hanqi ng
国内外对(α+β) 钛合金的变形通常是在相变点以下 30 —50 ℃进行 , 称为常规锻造. 常规锻造获得的等轴组织 具有室温强度高、塑性好等优点 , 但其高温性能、抗疲劳裂 纹扩展能力和断裂韧性较差[1]. 50 年代后期 , Croan 等人[2] 提出了β锻造工艺 ,其优点是提高了合金的抗蠕变性能、冲 击和断裂韧性 , 但是明显降低塑性和热稳定性 , 导致“β脆 性”和“组织遗传性”[3]. 60 年代初 , Sheegarev 等人[4]提出的 形变热处理理论 , 有效地提高了合金的强度和韧性 ,但是
第 35 卷 第 1 期 1999 年 1 月
金属学报
ACTA M ETALL U R GICA SIN ICA
Vol. 35 No . 1 J anuary 1 9 9 9
钛合金高温形变强韧化机理 3
周义刚 曾卫东 李晓芹 俞汉清
曹春晓
(西北工业大学材料科学与工程学院 , 西安 710072) (北京航空材料研究院 , 北京 100095)
2 实验结果与分析 2. 1 显微组织
从图 2 可以看到 , 传统的常规锻造获得等轴组织 (图 2a) ,β锻造获得网篮组织(图 2c) , 而近β锻造得到三态组 织(图 2b) . 三态组织是由体积分数 (下同) 分别为 10 % — 20 %的等轴α,50 % —60 %网篮交织的条状α和转变β基 体构成的多层次组织. 等轴α是坯料加热未超过相变点而 被保留下来的 ; 一定宽长比的条状α是变形及冷却产生的 次生α相在均匀化和高温处理时进一步聚集长大形成的. 由于变形后采用快速水冷 , 保留了大量的晶体缺陷 , 因而 结晶核心多 , 条状α和转变β基体中的魏氏α相尺寸细 小、无固定方式排列且呈网篮状交织. 2. 2 力学性能
%
1061 1018 14. 8 46. 2 1087 14. 0 38. 8 1081 12. 0 31. 7
1098 1049 16. 8 43. 8 1109 15. 0 37. 7 1153 16. 6 36. 6
1083 990 12. 8 19. 6 1069 11. 3 17. 0 1094 10. 2 16. 4
TC11( Ti - 6. 5Al - 3. 5Mo - 1. 5Zr - 0. 3Si (质量分 数 , %) )合金等轴初生α含量(φα , 体积分数) 随加热温度 的变化关系见图 1. 由图可以看出 , 加热温度低于 960 ℃时
图 1 TC11 合金加热温度与等轴 α含量的关系 Fig. 1 Correlation between t he volume fraction of equiaxed al2
图 2 常规锻 、近β锻和β锻获得的显微组织 Fig. 2 Optical microstructures developed by conventional forging , near beta forging and beta forging (a) equiaxed microstructure developed by conventional forging (b) tri - modal microstructure developed by near beta forging (c) lamellar microstructure developed by beta forging
本文提出的钛合金高温形变强韧化工艺 (又称近 β锻 造工艺) ,是在相变点以下 10 —15 ℃加热、变形. 为控制变 形温度 , 以坯料的平均相变点确定名义加热温度 , 并采用 金相试样法测定和控制炉温精度. 变形后快淬的锻件经两 次高温加一次低温的强韧化处理后 , 获得由一定数量的等 轴初生α、条状α构成的网篮和转变β基体组成的三态组 织 , 从而克服了以往研究的不足 , 使合金的强度 - 塑性 韧性得以兼顾.
Corres pon dent : Z HO U Y i gang , p rof essor , Tel : ( 029) 8493939 , Fax : ( 029) 8491000 ,
E - m ail : zengjiang @hot m ail . com
Manuscript received 1998 - 05 - 12 ,in revised form 1998 - 08 - 11
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周义刚等 : 钛合金高温形变强韧化机理
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Forging met hod
Conventional Near β β
表 1 TC11 钛合金的室温拉伸性能和热稳定性 Table 1 Room - temperature tensile and t hermal stability of TC11 alloy
ABSTRACT The high - temperat ure deformation st rengt hening and toughening mechanisms have been investigated. It is found t hat equiaxed alp ha p hases in t ri - modal microst ruct ure have no inherent orien2 taion wit h t ransformed beta mat rix , dislocations can easily find t heir slip plane , so t hey give coordination of materials’deformation , and result in higher ductility. The st riat ure alp ha p hases not only increase t he st rengt h and creep properties , but also change t he cracks’propagation directions , t hus cracks make a more winding way along or cross grain boundary between st riat ure alp ha p hases , and materials show a higher f ract ure toughness. This new deformation t heory applies to α,near α, (α+β) and β titanium alloys. KEY WORDS high - temperat ure deformation , st rengt hening and toughening mechanism , t ri - modal microst ruct ure , titanium alloy
Room - emperature tensile property Thermal stability
σb
σ0. 2
δ
MPa MPa
%
ψ 500 ℃, 100 h 500 ℃, 100 h
%
σb
δ
ψ
σb
δ
ψ
M Pa%%MFra bibliotekPa%
表 2 TC11 钛合金的高温拉伸 、持久和蠕变性能
Table 2 High - temperature tensile σb (t) , duration σb (d) and creep strengt h (ε) of TC11 alloy
Forging met hod
σb (t) ,MPa σb (d) ,MPa ε, % 500 ℃ 520 ℃ 500 ℃, 100 h 520 ℃, 100 h 500 ℃, 100 h ,343 MPa 520 ℃, 100 h ,343 MPa
从表 1 中可以看出 , 等轴α相的含量对室温强度无明 显影响 , 常规、近β和β锻造处于同一水平. 这与 Henning 等人[7]的研究一致. 但其高温性能有明显差异 , 近β锻造 样品 520 ℃的高温性能相当于常规锻造样品 500 ℃的性能水 平. 520 ℃, 100 h , 300 MPa 条件下的蠕变性能明显优于常 规锻造(表 2) ,其原因与三态组织中交织分布的条状α和片 间β条内点状析出物(图 3)阻碍位错滑移有关[8]. 近β锻造 的塑性和热稳定性与常规锻造处于同一数量级 ,即使试样 经过 520 ℃,100 h 热暴露后 ,ψ值仍保持在 30 %左右 , 未出 现脆性和失稳现象(表 1) ; 疲劳 - 蠕变交互作用寿命高于 常规锻造的性能水平 ,主要是拉伸保时过程中蠕变应
College of Materials Science and Engineering , Nort hwestern Polytechnical University , Xi’an 710072
CA O Chu n x iao
Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095