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      飛機承力構件用大規格TC4鈦合金厚板研制
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      飛機承力構件用大規格TC4鈦合金厚板研制

      發(fā)布時(shí)間 :2023-12-26 16:23:08 瀏覽次數 :

      引言

      TC4鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能,產(chǎn)量占到整個(gè)鈦合金產(chǎn)品的50%以上,而其中宇航工業(yè)用量超過(guò)80%[1-3],主要被用做飛機的承力構件,其約占承力構件用鈦合金用量的70%~80%[4]。目前,世界上一些國家制備大型鈦合金材料的技術(shù)已經(jīng)成熟,并制定有相應的規范,例如美標AMS4911L中Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金板材最厚可達100mm。而因受制備工藝、使用水平等的限制,我國高性能的大規格TC4鈦合金厚板(厚度大于40mm,寬度大于2000mm)的制備仍面臨諸多挑戰[5-7]。

      隨著(zhù)TC4鈦合金板材厚度增加、寬度變大,控制其組織均勻性、保持其強塑性匹配等的難度也將增大,而采用適宜的熱加工方法是制備大規格TC4鈦合金厚板的有效途徑[8-11]。本研究以熱模擬試驗所獲得的熱加工圖為參考,對變形量、軋制溫度等工藝參數進(jìn)行了探索,并在西部鈦業(yè)有限責任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)西部鈦業(yè))2800mm四輥熱軋機上成功制備出板形良好且組織均勻的大規格TC4鈦合金厚板。

      1、實(shí)驗

      實(shí)驗用TC4鈦合金鑄錠經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉而成,質(zhì)量為5t。鑄錠經(jīng)扒皮后在上、中、下部分別取樣并進(jìn)行成分分析,結果見(jiàn)表1。從表1可以看出,主元素Al、V以及雜質(zhì)元素Fe、O在鑄錠上、中、下部分布均勻,無(wú)偏析,完全滿(mǎn)足制備大規格TC4鈦合金厚板的要求。

      b1.jpg

      鑄錠經(jīng)超聲波探傷后切除冒口和錠底,然后在大噸位快鍛機上經(jīng)多向鍛造鍛成板坯[12]。在板坯頭部橫斷面取樣,觀(guān)測厚度方向中部的顯微組織。在板坯頭部橫斷面同時(shí)切取10mm的壓縮試樣,在Gleeble1500熱模擬實(shí)驗機上進(jìn)行熱模擬試驗。其中,變形溫度分別設定為800、850、900、950、1000、1050℃,應變速率分別設定為0.01、0.1、1、10、20s-1。

      接下來(lái)將板坯經(jīng)加熱、換向熱軋、普通退火、表面處理后得到40~70mm厚TC4鈦合金板材。利用MTS試驗機測試板材的室溫拉伸性能;利用奧林巴斯顯微鏡觀(guān)察其金相組織。

      2、結果與討論

      2.1板坯的組織形貌

      TC4鈦合金厚板坯的金相組織如圖1所示。由圖1可以看出,經(jīng)多向鍛造后,板坯組織均勻,晶粒平均尺寸約為15~20μm,鑄態(tài)組織已被完全破碎,為板材軋制后得到良好組織打下了較好的基礎。

      t1.jpg

      2.2熱模擬試驗

      不同溫度和應變速率下TC4鈦合金板坯的真應力-真應變曲線(xiàn)如圖2所示。

      t2.jpg

      從圖2可以看出,在一定的變形溫度下,隨著(zhù)應變速率的增加,應變硬化和軟化現象更為明顯,變形抗力增大。而在一定的應變速率下,隨著(zhù)變形溫度的升高,硬化和軟化現象減弱,變形抗力減小。由此可見(jiàn),溫度的升高對材料流變應力的改變有著(zhù)非常明顯的效果,即隨著(zhù)溫度的增加其流變應力大大降低,表明材料發(fā)生了快速軟化。

      通過(guò)熱模擬試驗,獲得的TC4鈦合金的加工圖(變形程度ε=0.1~0.5)如圖3所示。由圖3可以看出,TC4鈦合金的加工圖大致可分為兩區域,白色區域為溫度和應變速率均適合進(jìn)行熱加工的范圍,但對于大規格TC4鈦合金板材工業(yè)規模的制備,應變速率為0.01s-1和0.1s-1的區域不適用,會(huì )導致熱軋過(guò)程中溫降嚴重[13-14]。因此,對于大規格TC4鈦合金板材制備來(lái)說(shuō),加熱溫度900~1050℃,應變速率1~10s-1左右為其最佳的熱變形工藝條件。

      t3.jpg

      2.3成品板材的組織形貌

      在對板坯進(jìn)行熱軋時(shí),根據熱加工圖得到的最佳熱變形工藝條件,應控制應變速率為5~12s-1,加熱溫度為900~980℃,并且最后一火次軋制時(shí)須保證道次的最大變形率不低于15%~20%,否則易使心部組織粗大。在合理的軋制溫度、變形速率以及道次變形率下所制備的厚度為40~70mm,寬度為2300mm的TC4鈦合金成品厚板的照片如圖4所示。由圖4可見(jiàn),大規格厚板的表面光滑,無(wú)裂紋、凹坑等缺陷,并且板形良好,可達到美標AMS4911L的要求。

      t4.jpg

      成品板材熱軋態(tài)及退火態(tài)的金相組織照片如圖5所示。從圖5a可見(jiàn),熱軋后TC4鈦合金厚板為雙態(tài)組織[11-12],主要由晶粒尺寸約為25μm的等軸初生α相和寬約1μm、長(cháng)約10~15μm的拉長(cháng)次生α相以及晶間β相組成。與TC4鈦合金板坯金相照片(如圖1)比較發(fā)現,熱軋后的晶粒尺寸略大于板坯的晶粒尺寸。圖5b為退火后TC4鈦合金厚板的金相照片,晶粒在寬度方向和軋制方向上的尺寸較為一致,表明經(jīng)過(guò)普通退火熱處理,TC4鈦合金厚板可獲得晶粒尺寸約為25μm的均勻組織。

      t5.jpg

      2.4成品板材的室溫力學(xué)性能

      70mm厚的TC4鈦合金板材退火后的室溫拉伸性能如表2所示??梢钥闯?,板材的強塑性匹配良好,且力學(xué)性能較標準要求有較大的富余量。此外,板材橫向、縱向的強度差值小,僅為20~40MPa,且延伸率接近相同,即板材的各向異性小。

      b2.jpg

      3、結論

      (1)通過(guò)熱模擬試驗結果所制定的熱軋工藝成功制備出綜合性能優(yōu)異的大規格TC4鈦合金厚板。

      (2)TC4鈦合金厚板軋制的關(guān)鍵工藝參數及其適宜的控制范圍為加熱溫度900~980℃,應變速率5~12s-1,最后火次的道次最大變形率不低于15%~20%。

      參考文獻

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      [2]周廉,鄧炬. 輕金屬材料的發(fā)展[J]. 金屬學(xué)報,2002,38(增刊 1):12 - 16.

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      [5]朱知壽,王新南,童路,等. 中國航空結構用新型鈦合金研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2007,24(6):28 - 32.

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