一種超高強(qiáng)鈦合金的組織性能研究
1.前言
鈦合金由于低密度、高比強(qiáng)度及良好的耐蝕性使其在航空航天、船舶和兵器等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1]。高強(qiáng)度及超高強(qiáng)度鈦合金由于其優(yōu)良的特性在高性能飛行器結(jié)構(gòu)材料中更占有重要地位。高強(qiáng)度鈦合金[2]是指室溫拉伸強(qiáng)度為1100～1400MPa之間的鈦合金，主要用來代替飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，可減輕結(jié)構(gòu)重量的40%，典型的有美國的Ti1023（Ti-10V-2Fe-3Al），該合金與飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中常用的30CrMnSiA高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼性能相當(dāng)，具有優(yōu)異的鍛造性能[3-5]；Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），該合金冷加工性能比工業(yè)純鈦還好，時(shí)效后的室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa以上；前蘇聯(lián)的BT22（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe）合金其拉伸強(qiáng)度大于等于1105Mpa，已成功用作機(jī)身、機(jī)翼、起落架和其它高承載部件[6]；國內(nèi)方面，主要有北京有色金屬研究院研制出的TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al），寶雞有色金屬研究所研制的TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al）和上海鋼鐵研究所研制的TB4（Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr）[5]以及九五期間仿制美國β-21S的TB8（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）等合金。超高強(qiáng)度鈦合金[2]是指室溫拉伸強(qiáng)度超過1400MPa的鈦合金，用以代替超高強(qiáng)度鋼制造飛機(jī)起落架的主承力構(gòu)件，可減輕結(jié)構(gòu)重量30%，目前這類合金還處在研制發(fā)展階段，達(dá)到這種強(qiáng)度級別的鈦合金如Ti-8V-5Fe-1Al亞穩(wěn)定β鈦合金，采用快速凝固粉末冶金工藝生產(chǎn)的Ti-8V-5Fe-1Al合金，其室溫抗拉強(qiáng)度為1480MPa，伸長率為8%。
隨著現(xiàn)代航空飛行器對承力構(gòu)件性能的要求越來越高，提高結(jié)構(gòu)鈦合金性能已成為研究熱點(diǎn)，近年來，國內(nèi)外致力于開發(fā)1400Mpa級以上的超高強(qiáng)β鈦合金[7]。本文所研究的一種Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb系合金是寶鈦集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的超高強(qiáng)度鈦合金，其Kβ穩(wěn)定系數(shù)約1.33，鉬當(dāng)量約14.2，屬于近β型鈦合金，棒材經(jīng)固溶時(shí)效處理后的性能可達(dá)較高水平。
2.試驗(yàn)方法
試驗(yàn)在寶鈦集團(tuán)有限公司生產(chǎn)線上完成，經(jīng)真空自耗電弧爐3次熔煉后得到合金鑄錠，對鑄錠進(jìn)行化學(xué)成分分析并測試相變點(diǎn)。塑性加工分別在3150t水壓機(jī)進(jìn)行開坯鍛造，再到SXP精鍛機(jī)上進(jìn)行精鍛，最后經(jīng)橫列式軋機(jī)出Φ12.5mm×L熱軋棒材，并進(jìn)行固溶時(shí)效處理。同時(shí)，試驗(yàn)通過金相、力學(xué)、SEM、XRD、差熱分析等手段對合金不同加工狀態(tài)的組織性能進(jìn)行分析測試。
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4.結(jié)論
（1）鑄態(tài)合金的晶粒分布不勻，比較粗大，晶粒直徑大小約為1000~2000μm，且β晶內(nèi)和晶界都有α相析出；經(jīng)過鍛造，合金晶粒細(xì)化到100μm，α相主要沿β晶界針狀析出，β晶內(nèi)分布明顯減少；再經(jīng)熱軋后，晶粒進(jìn)一步細(xì)化到20μm左右，合金為單相的β組織。
（2）合金經(jīng)精鍛后，棒材截面上的硬度分布較開坯鍛造時(shí)均勻，硬度值較開坯鍛造時(shí)的360HV有所提高，較鑄態(tài)的295HV顯著提高，達(dá)到380HV。
（3）合金經(jīng)熱軋后抗拉強(qiáng)度為RM=861MPa，延伸率為A=17.5%左右，經(jīng)800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶時(shí)效處理后，大量均勻細(xì)小的α相由β基體內(nèi)析出，且以短片狀的形式互相平行或垂直分布其中。同時(shí)，合金性能達(dá)到RM=1509MPa，R0.2=1349MPa，A=7.84%的水平。
