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鈦合金剪切旋壓的工藝設計及組織性能演變

發布者(zhe)：2022-01-12 14:03:33
旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)壓是將金(jin)(jin)(jin)(jin)屬板坯轉變(bian)為(wei)空(kong)心形(xing)(xing)狀的(de)(de)(de)一(yi)種金(jin)(jin)(jin)(jin)屬變(bian)形(xing)(xing)過(guo)程。由于旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)壓工(gong)(gong)藝(yi)具有(you)成形(xing)(xing)力小、工(gong)(gong)裝(zhuang)簡單(dan)、材料利(li)用(yong)率高、生產成本低、機械性(xing)能(neng)好(hao)等優勢，旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)壓工(gong)(gong)藝(yi)越來(lai)越多地應用(yong)于航空(kong)、航天、武器、汽車等行業。Ti2AlNb合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)錐體部件作(zuo)為(wei)一(yi)種優良的(de)(de)(de)高溫(wen)用(yong)輕合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)，可用(yong)于航空(kong)發動(dong)機進氣道等部位(wei)。典(dian)型的(de)(de)(de)Ti2AlNb基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)由O相(xiang)(xiang)(Ti2AlNb,Cmcm對稱(cheng)(cheng)結(jie)構(gou))、bcc B2相(xiang)(xiang)(有(you)序Pm3m對稱(cheng)(cheng)結(jie)構(gou))/β相(xiang)(xiang)(無(wu)序結(jie)構(gou))和hcp α2相(xiang)(xiang)(Ti3Al, DO19 P63/mmc對稱(cheng)(cheng)結(jie)構(gou))組成。Ti2AlNb基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)使用(yong)溫(wen)度為(wei)600-750℃，與(yu)Ni基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)相(xiang)(xiang)近，但密(mi)度比Ni基高溫(wen)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)低1/3。然而，Ti2AlNb基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)熱(re)加工(gong)(gong)過(guo)程中，其相(xiang)(xiang)組成、晶(jing)粒(li)形(xing)(xing)貌和晶(jing)粒(li)尺寸的(de)(de)(de)演(yan)變(bian)相(xiang)(xiang)當復雜，Ti2AlNb基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)在(zai)室溫(wen)下的(de)(de)(de)低延(yan)展性(xing)和較差(cha)的(de)(de)(de)成形(xing)(xing)性(xing)限制了其在(zai)工(gong)(gong)業上(shang)的(de)(de)(de)廣泛(fan)應用(yong)。對于難變(bian)形(xing)(xing)材料軸(zhou)對稱(cheng)(cheng)空(kong)心件，熱(re)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)壓是提高其成形(xing)(xing)性(xing)能(neng)和力學性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)有(you)效成形(xing)(xing)工(gong)(gong)藝(yi)，而Ti2AlNb合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)自(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)(xuan)成形(xing)(xing)迄(qi)今尚無(wu)文獻報道。

　　哈爾濱工業(ye)大學的(de)(de)研究人員探討了Ti2AlNb合金的(de)(de)多道次剪切(qie)旋(xuan)壓工藝，并設(she)計了三種熱處理(li)方案(an)調節(jie)組織和力學性能(neng)。分析了Ti2AlNb基合金在剪切(qie)旋(xuan)壓和熱處理(li)過(guo)程中(zhong)的(de)(de)組織演變(bian)及其(qi)對力學性能(neng)的(de)(de)影響。相關論文(wen)以題為“Process design and microstructure-property evolution during shear spinning of Ti2AlNb-based alloy”發表在Journal of Materials Science & Technology。

　　原料Ti2AlNb合金板材成(cheng)分(fen)為(wei)Ti-22Al-24Nb-0.5Mo (at.%)，直徑(jing)為(wei)150mm。在950±30℃下進(jin)(jin)行旋壓實驗。采用三種不同(tong)的方(fang)案進(jin)(jin)行兩道次剪(jian)切旋壓和后處理，不同(tong)處理工藝如下所(suo)示。

　　表(biao)1 熱處理方案(an)及(ji)顯微組(zu)織結(jie)構(gou)

方案
熱處(chu)理(li)工藝(yi)
顯微(wei)組織
H1
960℃/2h AC
B2+初生O+初(chu)生(sheng)α2
H2
960℃/2h AC+820℃/12h  FC
B2+初生O+針(zhen)狀O+大量球(qiu)化(hua)α2
H3
960℃/2h AC+850℃/12h  FC
B2+初生O+針(zhen)狀O+大(da)量球(qiu)化(hua)α2

 

 　　研究發現第一、二道次(ci)旋(xuan)壓后(SP1和(he)SP2)的(de)(de)顯微(wei)組織主要(yao)由(you)B2+殘余α2相(xiang)(xiang)組成。SP1和(he)SP2的(de)(de)B2相(xiang)(xiang)含量分(fen)別為95%和(he)91%，SP1的(de)(de)B2相(xiang)(xiang)在第一道次(ci)旋(xuan)壓后伸長至(zhi)200μm，寬度為30μm，第二道次(ci)旋(xuan)壓后進一步縮小至(zhi)10μm。由(you)于粗條狀B2相(xiang)(xiang)滑移邊界(jie)不足(zu)，SP1和(he)SP2的(de)(de)延伸率分(fen)別從650℃時的(de)(de)18.3%降至(zhi)8.9%和(he)12.5%，而(er)SP1和(he)SP2工件的(de)(de)抗拉強度分(fen)別增加(jia)到1163 MPa和(he)932MPa，高于650℃時的(de)(de)782 MPa。兩(liang)道次(ci)剪切旋(xuan)壓B2相(xiang)(xiang)織構演化為：

 

圖(tu)1 (a)剪(jian)切(qie)旋(xuan)壓示意圖(tu); (b) 2道次剪(jian)切(qie)旋(xuan)壓過程示意圖(tu); (c) Ti2AlNb合金(jin)剪(jian)切(qie)旋(xuan)壓; (d)旋(xuan)壓取樣位置示意圖(tu)

圖(tu)2 原始Ti2AlNb合(he)金組織(zhi)圖(tu)、BSE圖(tu)、TEM圖(tu)和(he)衍射圖(tu)

圖3 不(bu)同滑移系(xi)下RD中(zhong)B2相的Schmid因素包括{110}

圖4 不同滑(hua)移體系下ND中B2相的Schmid因子(zi)包(bao)括{110}

　　為(wei)(wei)了滿足后續道次剪切旋壓的(de)(de)要求(qiu)，對(dui)SP1試(shi)樣(yang)進(jin)行了H3處(chu)理。在900℃時(shi)，SP1-H3的(de)(de)延伸率(lv)達到72.1%，組織為(wei)(wei)B2+粗大的(de)(de)初生(sheng)O+針狀(zhuang)O+大量(liang)球(qiu)化(hua)的(de)(de)α2相。根據使用要求(qiu)，確(que)定H1熱處(chu)理方案(an)為(wei)(wei)960℃/2h的(de)(de)優化(hua)工(gong)(gong)藝，可使旋壓工(gong)(gong)件在650℃獲得良好的(de)(de)綜合力學性(xing)能，組織為(wei)(wei)B2+初生(sheng)O+少量(liang)沿晶初生(sheng)α2相。SP2-H1試(shi)件的(de)(de)抗彎強度和延伸率(lv)分別(bie)為(wei)(wei)934 MPa和15.1%。

　　由(you)于初生件中存(cun)在(zai)大(da)量粗大(da)且轉變不充分的(de)B2相，導(dao)致Ti2AlNb合(he)金(jin)在(zai)高(gao)溫(>900℃)下(xia)的(de)熱加工(gong)(gong)性能較差(cha)，難以(yi)實(shi)現不經道次(ci)間熱處理(li)(li)的(de)連(lian)續多(duo)(duo)道次(ci)剪(jian)切(qie)旋(xuan)壓(ya)工(gong)(gong)藝。為(wei)了提(ti)高(gao)Ti2AlNb合(he)金(jin)多(duo)(duo)道次(ci)旋(xuan)壓(ya)工(gong)(gong)藝的(de)可旋(xuan)性，在(zai)多(duo)(duo)道次(ci)剪(jian)切(qie)旋(xuan)壓(ya)過程中，應采(cai)用960℃/2h+850℃/12h的(de)H3方案作為(wei)道次(ci)間熱處理(li)(li)工(gong)(gong)藝。本文為(wei)Ti2AlNb合(he)金(jin)軸對稱空心件的(de)熱成形和應用提(ti)供了有效指導(dao)。（文：破風）

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