發(fā)布日期：2024-11-11 16:52:50
鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、可焊接和抗疲勞等突出優(yōu)點(diǎn)［1-2］，航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中葉片需要在高溫、高壓等極端運(yùn)行環(huán)境下穩(wěn)定工作，因此鈦合金已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主要材料［3］。80％以上的鈦合金葉片制造采用鍛造成形技術(shù)，該技術(shù)具有節(jié)約原材料、生產(chǎn)效率高、金屬流線完整性好及綜合力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)［4］。改善鈦合金葉片的組織性能除了依靠鍛造過(guò)程中優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，后續(xù)的熱處理對(duì)顯微組織以及性能也起著重要作用［5］。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鍛造后的葉片需要通過(guò)熱處理改變鈦合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善其性能。恰當(dāng)?shù)耐嘶鸸に嚳梢韵懺烊~片過(guò)程中造成的各種缺陷，通過(guò)晶粒細(xì)化、消除偏析和降低內(nèi)應(yīng)力等，使葉片組織和性能更加均勻。
TC4鈦合金葉片典型的退火工藝包括：退火、雙重退火、固溶-時(shí)效-退火以及三重退火［6］等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，最常用的熱處理工藝為退火后空冷，退火可以提高鈦合金的強(qiáng)度，空冷可以提高生產(chǎn)效率。大量的研究表明，通過(guò)合理的退火工藝，可以優(yōu)化鈦合金葉片的顯微組織結(jié)構(gòu)，從而提高其綜合性能。郭偉等［7］采用Ｘ射線衍射儀分析了服役后的葉片在580℃熱處理前后榫頭表面不同位置的殘余應(yīng)力變化情況，結(jié)果表明，580℃退火處理不會(huì)導(dǎo)致榫頭表面殘余壓應(yīng)力大幅下降，平均降幅小于100MPa。盧政等［8］利用
Ｄｅｆｏｒｍ-3Ｄ數(shù)值模擬軟件研究TA15鈦合金鍛件在退火前以及不同退火溫度下，長(zhǎng)度方向的殘余應(yīng)力，結(jié)合退火溫度對(duì)鍛件殘余應(yīng)力與力學(xué)性能的影響確定合理的退火溫度，結(jié)果表明，TA15鍛件的合理退火溫度為850℃。王曉晨等［9］研究了不同熱處理制度對(duì)β相區(qū)形變熱處理的TC21鈦合金鍛件組織及性能的影響，結(jié)果表明，不同熱處理制度對(duì)TC21鈦合金等溫鍛件的組織性能有顯著的影響，淬火時(shí)效處理為推薦的較佳熱處理制度。Ｄｅｎｇ等［10］分析了常規(guī)鍛造和特種鍛造及后續(xù)熱處理對(duì)TC11鈦合金組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，終鍛溫度為950℃時(shí)，TC11鈦合金熱處理后的性能均優(yōu)于常規(guī)鍛造。TC11鈦合金經(jīng)950℃特種鍛造后再結(jié)合高溫均勻化和雙重退火處理，得到的片狀編織組織可使材料獲得良好的強(qiáng)韌性匹配。
雖然目前對(duì)TC4鈦合金葉片鍛件的熱處理工藝研究較多，但大多是研究固溶和時(shí)效處理工藝，對(duì)退火工藝的研究較少。另外，不同鍛造工藝加工的葉片需要不同的退火工藝制度來(lái)保證鈦合金葉片組織性能穩(wěn)定。因此，選擇合理的退火工藝制度變得尤為重要。
本文通過(guò)對(duì)航空用TC4鈦合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行不同溫度退火處理，探究TC4鈦合金葉片組織性能與合金強(qiáng)化之間匹配關(guān)系，為獲得TC4鈦合金葉片穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)以及合理的退火工藝制度提供理論數(shù)據(jù)支持。
1、試驗(yàn)材料及方法
1.1 試驗(yàn)材料
本研究選用的材料是某公司提供的TC4合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片，TC4合金三級(jí)葉片的相變點(diǎn)溫度為998℃。TC4合金三級(jí)葉片顯微組織形貌如圖1所示，三級(jí)葉片葉身部位顯微組織主要由等軸α晶粒與條狀β轉(zhuǎn)變組織組成，它們交錯(cuò)均勻分布形成雙態(tài)組織。等軸α晶粒尺寸約12μｍ，等軸α晶粒的含量約為33％。TC4合金三級(jí)葉片的化學(xué)成分見(jiàn)表1。
1.2 試驗(yàn)方法
采用線切割工藝在三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上切取塊狀試樣，退火溫度選擇600、650、700、750、800、850、900和950℃，保溫2ｈ后分別進(jìn)行空冷和水冷。
金相試樣腐蝕劑為HF∶HNO3∶H2O＝2∶1∶50（體積比）。EBSD試樣的制樣電解液為12％高氯酸＋34％正丁醇＋54％甲醇（體積分?jǐn)?shù)）。室溫拉伸性能測(cè)試在ＷＤＷ300拉伸設(shè)備上進(jìn)行，拉伸試樣平行長(zhǎng)度為15ｍｍ，加載速度為2mm/min。顯微組織觀察在ＧＸ51金相顯微鏡上進(jìn)行。顯微硬度采用401ＭＶＤ型維氏硬度計(jì)測(cè)試，顯微硬度測(cè)試加載載荷為200ｇ。葉片顯微組織特征使用Ｇｅｍｉｎｉ300場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察。EBSD試驗(yàn)在配有牛津ＮｏｒｄｌｙｓＮａｎｏEBSD探頭的Ｇｅｍｉｎｉ300場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 退火處理對(duì)顯微組織的影響
圖2為600℃退火保溫2ｈ，以不同方式冷卻后，TC4合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的顯微組織�？梢园l(fā)現(xiàn)，退火溫度為600℃的空冷組織和水冷組織中α相的體積分?jǐn)?shù)差別不大，其中空冷α相的體積分?jǐn)?shù)約為33.4％，水冷α相的體積分?jǐn)?shù)約為35.9％。圖2（ｂ）顯示水冷后組織中β轉(zhuǎn)變組織（次生α相）沿長(zhǎng)度方向增加，即長(zhǎng)寬比增加，說(shuō)明在水冷過(guò)程中，次生α相長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)大速率相對(duì)快于寬度方向的長(zhǎng)大速率。
圖3為退火溫度600℃，保溫2ｈ，空冷和水冷條件下TC4合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片組織的ＩＰＦ圖、再結(jié)晶圖和KAM圖，圖中白色線條和黑色線條分別代表小角度晶界（LAGBs，2°～15°）和大角度晶界（ＨＡＧＢｓ，＞15°）。觀察圖3（ａ，ｄ）可以發(fā)現(xiàn)，水冷α相晶粒內(nèi)部LAGBs多于空冷。觀察圖3（ｂ，ｅ）可以發(fā)現(xiàn)，在三叉晶界處觀察到一些細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，這些細(xì)小的再結(jié)晶晶粒均勻分布在β相基體上。冷卻方式由空冷改為水冷時(shí)，變形晶粒含量由70.3％降至59.5％，回復(fù)晶粒含量由14％升高至23.2％。對(duì)比KAM圖（見(jiàn)圖3（ｃ，ｆ））發(fā)現(xiàn)，水冷組織中變形晶粒內(nèi)部的KAM值較高，回復(fù)晶粒內(nèi)部的KAM值較低�？绽浣M織的KAM值較水冷降低，并且較為分散。根據(jù)以上分析，TC4合金三級(jí)葉片空冷和水冷的顯微組織差別較小，結(jié)合三級(jí)葉片生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，選擇空冷冷卻方式進(jìn)行分析。
圖4為不同溫度退火2ｈ空冷后，TC4三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的顯微組織。退火溫度低于850℃時(shí)，退火組織與三級(jí)葉片原始鍛態(tài)組織相比變化較小，等軸α相尺寸、均勻化程度發(fā)生了少量的變化，未見(jiàn)明顯差異（見(jiàn)圖4（ａ～ｄ））。退火溫度為900℃時(shí)，葉片組織產(chǎn)生較大變化，鍛造過(guò)程中被拉長(zhǎng)的α晶粒逐漸等軸化，β轉(zhuǎn)變組織粗化，由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻睿ㄒ?jiàn)圖4（ｅ））。其原因在于TC4鈦合金的再結(jié)晶溫度約為850℃，退火處理溫度在再結(jié)晶溫度以下，組織沒(méi)有發(fā)生再結(jié)晶，當(dāng)熱處理溫度高于再結(jié)晶溫度，組織發(fā)生再結(jié)晶，獲得較為均勻的雙態(tài)組織［11］。退火溫度為950℃時(shí)，接近（α＋β）／β相變溫度，組織由再結(jié)晶的等軸α晶粒組成，β轉(zhuǎn)變組織持續(xù)向亞穩(wěn)定β相轉(zhuǎn)變，含量急劇下降，組織由再結(jié)晶的α相、少量β轉(zhuǎn)變組織和β相組成（見(jiàn)圖4（ｆ））。
圖5為不同溫度退火空冷后，TC4合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的ＳＥＭ組織。由圖5可以看出，葉片組織由等軸α相、條狀α相以及β基體組成。如圖5（ａ～ｃ）所示，隨著退火溫度的升高，條狀α相厚度逐漸增加，由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻�；等軸α相進(jìn)一步球化。如圖5（ｄ）所示，在β基體上析出了針狀次生α相。TC4鈦合金在退火的冷卻過(guò)程中主要發(fā)生β→α和β→α′相變，會(huì)形成大量亞穩(wěn)定β相。α′相的晶體結(jié)構(gòu)為六方馬氏體，通過(guò)切變方式形成，其形成條件為較快的冷卻速率，因?yàn)槔鋮s方式為空冷，故可以斷定合金中無(wú)α′相形成，細(xì)小針狀相為次生α相［12］。并且隨著退火溫度的繼續(xù)增加，組織中針狀α相的數(shù)目不斷增加（見(jiàn)圖5（ｅ，ｆ））。
圖6為不同溫度退火空冷后，TC4葉片樣品中組織尺寸定量統(tǒng)計(jì)曲線圖。由圖6（ａ）可見(jiàn)，隨退火溫度的升高，α相晶粒尺寸變化不大，約12μｍ，退火溫度超過(guò)800℃時(shí)，α晶粒尺寸略微下降。由圖6（ｂ）可見(jiàn)，退火溫度低于850℃時(shí)，β轉(zhuǎn)變組織片層厚度隨溫度的升高變化較小，退火溫度超過(guò)850℃時(shí)，由于β轉(zhuǎn)變組織出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，導(dǎo)致β轉(zhuǎn)變組織片層厚度迅速增加。退火溫度達(dá)到950℃時(shí)，接近（α＋β）／β相變溫度，大量β轉(zhuǎn)變組織轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎�(wěn)定β相，β轉(zhuǎn)變組織消失。
圖7為不同溫度退火空冷前后，TC4合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片組織的ＩＰＦ圖、再結(jié)晶圖和KAM圖，圖中白色線條和黑色線條分別代表小角度晶界（LAGBs，2°～15°）和大角度晶界（ＨＡＧＢｓ，＞15°）。觀察TC4葉片原始鍛態(tài)組織可以看出，α晶粒內(nèi)部存在大量的LAGBs，并且晶界處形成細(xì)小的再結(jié)晶晶粒�；貜�(fù)和再結(jié)晶是鈦合金的重要變形機(jī)制，兩者都是由亞晶集合構(gòu)成，區(qū)別在于再結(jié)晶晶粒內(nèi)部取向差值低于回復(fù)晶粒［13］。觀察圖9（ｂ，ｅ，ｈ）可以看到，在三叉晶界處存在一些細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，隨著退火溫度的增
加，合金中LAGBs的數(shù)量逐漸減少，變形晶粒逐漸增加。原始鍛態(tài)組織，大部分晶粒為變形晶粒，約占66％，變形亞晶含量為26.2％。當(dāng)退火溫度達(dá)到800℃時(shí)，變形晶粒的比例下降到51.8％，而回復(fù)晶粒的比例增加到27.2％。隨著退火溫度升至950℃，變形晶粒含量降至11.6％，回復(fù)晶粒約占50.3％。原始鍛態(tài)組織中變形晶粒內(nèi)部的KAM值較高，回復(fù)晶粒內(nèi)部的KAM值較低。當(dāng)退火溫度為800℃時(shí)，KAM值迅速降低。當(dāng)退火溫度進(jìn)一步升高至950℃時(shí)，KAM值顯著降低，并且較為分散，見(jiàn)圖9（ｃ，ｆ，ｉ）。
2.2 退火處理對(duì)顯微硬度的影響
圖8為不同退火工藝處理TC4鈦合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的硬度曲線。由圖8可以看出，當(dāng)退火溫度不超過(guò)900℃時(shí)，空冷組織的硬度比水冷高出5～10ＨＶ0.2。
退火溫度為850℃時(shí)，硬度值最小，空冷和水冷下分別為362.5ＨＶ0.2和350.0ＨＶ0.2。退火溫度超過(guò)850℃時(shí)，硬度值迅速增大。其原因在于隨退火溫度升高，針狀α相含量逐漸增多（見(jiàn)圖5（ｄ～ｆ）），針狀α相均勻地分布在β相基體上，能夠起到彌散強(qiáng)化效果［14-15］，硬度值迅速增加。當(dāng)退火溫度為950℃時(shí)，硬度繼續(xù)增加，且水冷組織的硬度超過(guò)了空冷，除針狀α相含量增多外，該退火溫度下三級(jí)葉片組織中的β相和α相的片層距較小，也會(huì)提高三級(jí)葉片的硬度。
2.3 退火處理對(duì)力學(xué)性能的影響
圖9為不同溫度退火空冷后，TC4合金三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的力學(xué)性能�？梢钥闯�，經(jīng)兩相區(qū)退火的TC4鈦合金葉片，退火溫度為600℃時(shí)，與未退火處理的TC4合金三級(jí)葉片相比，其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率略有提升，抗拉強(qiáng)度提升40MPa，伸長(zhǎng)率提升8.4％，其抗拉強(qiáng)度為1063.6MPa，屈服強(qiáng)度為983.2MPa。隨著退火溫度的升高，強(qiáng)度逐漸降低，退火溫度為800℃時(shí)，其強(qiáng)度較低，伸長(zhǎng)率較高為23.2％，主要是由于800℃熱處理溫度較低，短細(xì)且無(wú)規(guī)則排列的次生α相分解不完全，這種縱橫交錯(cuò)的次生α相使得位錯(cuò)很容易找到可以開(kāi)動(dòng)的滑移方向，能夠促進(jìn)晶粒間的協(xié)調(diào)變形，提高了材料的塑性。另外，在兩相區(qū)保溫過(guò)程中等軸α相能夠?qū)?beta;相起到釘扎作用，抑制β相的長(zhǎng)大，也可以提高材料的塑性［16-17］。當(dāng)退火溫度超過(guò)800℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度開(kāi)始逐漸升高到1049.7MPa，之后略有降低，伸長(zhǎng)率急劇降低，退火溫度為950℃時(shí)的伸長(zhǎng)率僅為17.3％。根據(jù)上述不同退火溫度下的性能分析，800℃×2ｈ退火空冷處理后TC4三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的塑性最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1033.7MPa，伸長(zhǎng)率為23.2％，葉片綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
3、結(jié)論
1）退火溫度為600℃時(shí)，空冷和水冷的TC4三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片組織α相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)差別較小。水冷α相晶粒內(nèi)部LAGBs多于空冷，水冷組織中變形晶粒內(nèi)部的ＫＡＭ值較高，回復(fù)晶粒內(nèi)部的ＫＡＭ值較低�？绽浣M織的ＫＡＭ值較水冷降低，并且較為分散。
2）退火溫度低于850℃時(shí)，退火組織與TC4三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片原始鍛態(tài)組織相比變化較小，等軸α相尺寸、均勻化程度發(fā)生了少量的變化，退火溫度為900℃時(shí)，葉片組織產(chǎn)生較大變化，鍛造過(guò)程中被拉長(zhǎng)的α晶粒逐漸等軸化，β轉(zhuǎn)變組織粗化，由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻�。退火溫度�?50℃時(shí)，組織由再結(jié)晶的α相、少量β轉(zhuǎn)變組織和β相組成。
3）當(dāng)退火溫度低于900℃時(shí)，TC4三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片空冷組織的顯微硬度比水冷組織高5～10ＨＶ0.2。退火溫度超過(guò)900℃時(shí)，水冷組織顯微硬度超過(guò)空冷。退火溫度為600℃時(shí)，與未退火處理的TC4合金三級(jí)葉片相比，其強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率略有提升。隨著退火溫度的升高，強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)退火溫度超過(guò)800℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度開(kāi)始逐漸升高到1049.7MPa之后略有降低，伸長(zhǎng)率急劇降低，退火溫度為950℃時(shí)的伸長(zhǎng)率僅為17.3％。
4）根據(jù)不同退火溫度下的性能分析，800℃×2ｈ退火空冷處理后TC4三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的塑性最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1033.7MPa，伸長(zhǎng)率為23.2％，其綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
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