新型TC4鈦合金材料熱處理工藝研究
發(fā)布日期：2024-1-2 15:33:18
鈦合金作為一種輕量有色金屬，具有很高的比強(qiáng)度（強(qiáng)度和密度之比），與Al、Cr等元素組成的合金，經(jīng)過(guò)熱處理，強(qiáng)度極限可達(dá)1176MPa以上，比強(qiáng)度可達(dá)27～33，與它相同強(qiáng)度的合金鋼，其比強(qiáng)度只有15.5～19，因此，在機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用上占據(jù)著重要地位，在宇航、航空、化工、造船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1－5]。
隨著國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，在武器裝備“十四五”規(guī)劃中，武器裝備發(fā)展逐漸向協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)立體方面發(fā)展，對(duì)武器裝備的機(jī)動(dòng)性提出了新的要求，裝備的輕量化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。鈦合金以其優(yōu)良的性能應(yīng)用于武器裝備，可顯著降低零件重量，有效提升武器裝備輕量化水平，提高裝備的機(jī)動(dòng)性。目前鈦合金在裝備上的應(yīng)用較少，相應(yīng)的研究也較少，尤其是熱處理作為鈦合金零部件的重要加工工藝，直接決定著鈦合金零部件的力學(xué)性能和使用性能能否滿(mǎn)足裝備的技術(shù)要求，但熱處理技術(shù)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的研究。本文通過(guò)工藝試驗(yàn)，從鈦合金的熱處理工藝參數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行研究，找出了較優(yōu)的工藝參數(shù)，熱處理后滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求，且能夠滿(mǎn)足工廠生產(chǎn)實(shí)際，掌握了鈦合金熱處理工藝技術(shù)研究，為武器裝備未來(lái)發(fā)展需求奠定了基礎(chǔ)。
1、材料分析及工藝設(shè)計(jì)
1.1 工藝試驗(yàn)設(shè)備選擇
由于鈦合金熱處理總體生產(chǎn)過(guò)程為固溶加熱、冷卻、時(shí)效加熱，因此生產(chǎn)過(guò)程中必備的設(shè)備主要有固溶加熱爐、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、時(shí)效加熱爐。由于需要加熱到較高溫度，并且鈦合金在高溫下化學(xué)性能較活潑，容易與氧、碳等元素發(fā)生反應(yīng)，因此需要在真空或氬氣保護(hù)狀態(tài)下加熱。
1.2 工藝試件設(shè)計(jì)
根據(jù)產(chǎn)品圖樣，某零部件多為20～40mm尺寸板材焊接而成，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有代表性的專(zhuān)用試料，分別選擇20、30和40mm的板料，專(zhuān)用試料的設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1。
1.3 工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)
1.3.1 材料分析
熱處理工藝與材料息息相關(guān)，因此需要先對(duì)材料進(jìn)行分析介紹，根據(jù)材料設(shè)計(jì)后續(xù)加熱溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)。本項(xiàng)目主要研究對(duì)象為T(mén)C4合金，原材料為板材，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3621-2007，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。
1.3.2 固溶參數(shù)設(shè)計(jì)
TC4鈦合金為α＋β型鈦合金［6]，退火狀態(tài)下的組織由α相與β相組成，淬透性比較好，可通過(guò)固溶、時(shí)效熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。鈦合金的相變點(diǎn)溫度Tβ是制定其熱處理工藝的主要依據(jù)，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的以下數(shù)學(xué)計(jì)算式［7]，按照各元素對(duì)相變點(diǎn)溫度的影響推算出來(lái)。式中，885℃為計(jì)算時(shí)純鈦的相變點(diǎn)。各元素含量對(duì)（α＋β）/β相變點(diǎn)的影響[8－10]見(jiàn)表3。
計(jì)算得到TC4相變點(diǎn)溫度Tβ約為970℃。α＋β合金固溶處理溫度通常選擇在（α＋β）/β 相變點(diǎn)以下40～100℃，即兩相區(qū)的上部溫度范圍，但不加熱到β單項(xiàng)區(qū)，否則會(huì)產(chǎn)生粗大晶粒，對(duì)韌性有害。根據(jù)上述準(zhǔn)則，選擇固溶溫度910、920和930℃進(jìn)行工藝試驗(yàn)；固溶處理保溫時(shí)間根據(jù)材料尺寸在20～120min而定，根據(jù)生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)為60～90min；固溶處理應(yīng)迅速，通常為水冷或油冷，根據(jù)現(xiàn)有條件，選擇油冷方式。
1.3.3 時(shí)效參數(shù)設(shè)計(jì)
經(jīng)查閱《熱處理手冊(cè)》等相關(guān)資料，α＋β合金時(shí)效處理溫度一般為500～600℃，本試驗(yàn)分別選擇500、520、540、560、580和600℃研究時(shí)效溫度對(duì)性能的影響。時(shí)效處理保溫時(shí)間根據(jù)材料尺寸在2～8ｈ而定，根據(jù)試件尺寸及生產(chǎn)條件，設(shè)計(jì)為3～4ｈ。
綜上所述，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。
1.4 檢驗(yàn)
在試料心部縱向取樣，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》制作成標(biāo)準(zhǔn)Ｒ4拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229-2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》制作成標(biāo)準(zhǔn)室溫夏比Ｕ沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。
2、工藝試驗(yàn)過(guò)程
對(duì)各專(zhuān)用試料進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)方式見(jiàn)表5。
分別按照工藝1～工藝18對(duì)SL01－1～SL01－18、SL02－1～SL02－18、SL03－1～SL03－18的試料進(jìn)行固溶、時(shí)效處理。固溶、時(shí)效完成后，對(duì)各試料進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)（見(jiàn)表6～表8）。
3、檢測(cè)結(jié)果分析
3.1 有效尺寸20mm（SL01）檢測(cè)結(jié)果分析
3.1.1 不同固溶、時(shí)效溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊吸收能量的影響
圖1所示為有效尺寸20mm（SL01）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫抗拉強(qiáng)度。由圖1可以看出，其抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)降低，然后升高，隨后又降低；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為500℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最好；當(dāng)固溶溫度為920℃、時(shí)效溫度為560和580℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度較好。圖2所示為有效尺寸20mm（SL01）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫延伸率。由圖2可以看出，其延伸率隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)升高，然后降低，隨后又升高；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為580和600℃時(shí)，延伸率較好；當(dāng)固溶溫度為930℃、時(shí)效溫度為540和560℃時(shí)，延伸率最好。圖3所示為有效尺寸20mm（SL01）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫沖擊吸收能量。由圖3可以看出，其沖擊吸收能量隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)升高，然后降低，隨后又升高；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為520℃時(shí)，沖擊吸收能量較好；當(dāng)固溶溫度為920℃、時(shí)效溫度為600℃時(shí)，沖擊吸收能量最好。
3.1.2 小結(jié)
在充分考慮強(qiáng)韌性綜合性能情況下，宜選用固溶溫度910℃、時(shí)效溫度520℃的工藝參數(shù)；當(dāng)對(duì)強(qiáng)度要求較高、對(duì)韌性要求較低時(shí)，宜選用固溶溫度920℃、時(shí)效溫度560℃的工藝參數(shù)；當(dāng)對(duì)韌性要求較高、對(duì)強(qiáng)度要求較低時(shí)，宜選用固溶溫度920℃、時(shí)效溫度600℃的工藝參數(shù)，但各性能指標(biāo)波動(dòng)不大。
3.2 有效尺寸30mm（SL02）檢測(cè)結(jié)果分析
3.2.1 不同固溶、時(shí)效溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊吸收能量的影響
圖4所示為有效尺寸30mm（SL02）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫抗拉強(qiáng)度。由圖4可以看出，其抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)降低，然后升高，隨后又降低，最后又升高；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為560℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最好；當(dāng)固溶溫度為920℃、時(shí)效溫度為580℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度較好。
圖5所示為有效尺寸30mm（SL02）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫延伸率。由圖5可以看出，其延伸率隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)降低，然后升高；當(dāng)固溶溫度為930℃、時(shí)效溫度為580℃時(shí)，延伸率最好；當(dāng)固溶溫度為920℃、時(shí)效溫度為520℃時(shí)，延伸率較好。圖6所示為有效尺寸30mm（SL02）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫沖擊吸收能量。
由圖6可以看出，其沖擊吸收能量隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)降低，然后升高，隨后又降低；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為520℃時(shí)，沖擊吸收能量最好；當(dāng)固溶溫度為920℃、時(shí)效溫度為500℃時(shí)，沖擊吸收能量較好。
3.2.2 小結(jié)
在充分考慮強(qiáng)韌性綜合性能情況下，宜選用固溶溫度920℃、時(shí)效溫度540℃的工藝參數(shù)；當(dāng)對(duì)強(qiáng)度要求較高、對(duì)韌性要求較低時(shí)，宜選用固溶溫度910℃、時(shí)效溫度560℃的工藝參數(shù)；當(dāng)對(duì)韌性要求較高、對(duì)強(qiáng)度要求較低時(shí)，宜選用固溶溫度910℃、時(shí)效溫度520℃的工藝參數(shù)，但各性能指標(biāo)波動(dòng)不大。
3.3 有效尺寸40mm（SL03）檢測(cè)結(jié)果分析
3.3.1 不同固溶、時(shí)效溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊吸收能量的影響
圖7所示為有效尺寸40mm（SL03）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫抗拉強(qiáng)度。由圖7可以看出，其抗拉強(qiáng)度隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)升高，然后降低；當(dāng)固溶溫度為920℃、時(shí)效溫度為560℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度最好；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為540℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度較好。圖8所示為有效尺寸40mm（SL03）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫延伸率。由圖8可以看出，其延伸率隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)降低，然后升高，隨后降低；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為560℃時(shí)，延伸率最好；當(dāng)固溶溫度為930℃、時(shí)效溫度為580℃時(shí)，延伸率較好。圖9所示為有效尺寸40mm（SL03）TC4鈦合金在不同固溶、時(shí)效溫度下的室溫沖擊吸收能量。由圖9可以看出，其沖擊吸收能量隨著時(shí)效溫度的升高整體趨勢(shì)先出現(xiàn)升高，然后降低，隨后升高；當(dāng)固溶溫度為910℃、時(shí)效溫度為520℃時(shí)，沖擊吸收能量最好；當(dāng)固溶溫度為930℃、時(shí)效溫度為580℃時(shí)，沖擊吸收能量較好。
3.3.2 小結(jié)
在充分考慮強(qiáng)韌性綜合性能情況下，宜選用固溶溫度920℃、時(shí)效溫度540℃的工藝參數(shù)；當(dāng)對(duì)強(qiáng)度要求較高、對(duì)韌性要求較低時(shí)，宜選用固溶溫度920℃、時(shí)效溫度560℃的工藝參數(shù)；當(dāng)對(duì)韌性要求較高、對(duì)強(qiáng)度要求較低時(shí)，宜選用固溶溫度910℃、時(shí)效溫度520℃的工藝參數(shù)，但各性能指標(biāo)波動(dòng)不大。
4、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論：
1）當(dāng)固溶溫度為910～930℃、時(shí)效溫度為500～600℃時(shí)，溫度變化對(duì)TC4鈦合金力學(xué)性能影響較小。
2）考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要進(jìn)行批量生產(chǎn)，且生產(chǎn)的零件尺寸不一，結(jié)合生產(chǎn)，熱處理過(guò)程的較優(yōu)工藝參數(shù)為固溶溫度910～920℃、時(shí)效溫度520～560℃。
參考文獻(xiàn)
[1］熱處理手冊(cè)編委會(huì).熱處理手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[2]郭凱，何忝锜，和蓉.TC4鈦合金熱處理工藝的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].世界有色金屬，2021，4（2）：16－17.
[3]孟憲偉.TC4鈦合金熱處理工藝的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].裝備制造與教育，2019，33（3）：28－30.
[4]楊海瑛，陳軍，趙永慶.熱處理對(duì)TC4－DT鈦合金組織性能的影響[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2009（4）：13－16.
[5]郭初陽(yáng)，郭喜軍，王永紅，等.鈦合金零件鍍鉻工藝及控制研究[J].新技術(shù)新工藝，2015（10）：96－99.
[6]雷霆.鈦及鈦合金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2018.
[7]稀有金屬材料加工手冊(cè)編寫(xiě)組.稀有金屬材料加工手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984.
[8]李玉濤，耿林，徐斌，等.TC11鈦合金相變點(diǎn)的測(cè)定與分析[J].稀有金屬，2006，30（2）：232－235.
[9]王志輝，夏長(zhǎng)清，李學(xué)雄，等.Ti62421ｓ鈦合金（α＋β）/β相變溫度的測(cè)定與分析［J].稀有金屬，2010，34（5）：663－667.
[10]張翥，王群驕，莫畏.鈦的金屬學(xué)和熱處理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.
作者簡(jiǎn)介：霍進(jìn)良（1981－），男，高級(jí)工程師，主要從事熱處理加工工藝技術(shù)等方面的研究。