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TC4-DT钛合金锻件组织与拉伸性能研究

更新时间:2016-07-05

钛合金具有比强度高、热强性好等特点,被广泛用于汽车、航空航天、舰船、电力以及化工等众多领域[1]。TC4-DT钛合金为增强国内航空能力而研制的新型中强高损伤容限型钛合金[2]。目前对于TC4-DT钛合金的研究大多集中于断裂韧性(KIC)和裂纹扩展速率(da/dn)。拉伸性能作为TC4-DT钛合金室温性能的主要指标,在保证TC4-DT钛合金锻件质量方面同样起到至关重要的作用。我公司利用不同锻造工艺参数生产某大型梁类模锻件,本文主要研究锻造工艺参数对TC4-DT钛合金锻件组织和拉伸性能的影响。

1 原材料及工艺方法

TC4-DT钛合金锻件所用原材料均使用西部超导公司生产的∅380 mm棒材,原材料化学成分和高、低倍相片分别见表1和图1。从图1可以看出,钛合金原材料高倍组织为等轴组织,原材料低倍组织均匀,无冶金缺陷,符合相关标准,可正常投产使用。TC4-DT钛合金原材料相变点参照HB 6623.1—1992淬火金相法测得,将TC4-DT钛合金原材料组织中3%以下的初生α相的淬火温度作为Tβ。TC4-DT钛合金锻件生产工序为:原材料下料→自由锻→模锻→热处理。自由锻、模锻分别在我公司31.5 MN快锻机和400 MN大型模锻液压机上进行,热处理在我公司均匀度为±5℃的台车式热处理炉进行。我公司采用3种锻造工艺生产这种梁类模锻件,工艺1:自由锻2火,锻造温度为Tβ-30℃;模锻2火,锻造温度为Tβ-30℃。工艺2:自由锻12火,锻造温度为Tβ-30℃;模锻2火,锻造温度为Tβ-30℃。工艺3:自由锻12火,锻造温度为Tβ-55℃;模锻2火,锻造温度为Tβ-55℃。3种工艺热处理制度均为:Tβ-30℃,120 min,Tβ+15℃,30 min,空冷+730℃,130 min,空冷。

2 组织与拉伸性能结果分析

2.1 TC4-DT钛合金锻件低倍组织分析

图2为3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件低倍相片,低倍试样均取自TC4-DT钛合金锻件的相同位置。从图2可以看出,3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件低倍组织均为清晰晶组织,无冶金缺陷,均符合相关技术标准。但也可以看出3种工艺所生产的TC4-DT钛合金锻件低倍也存在一定差异。

表1 TC4-DT 钛合金原材料化学成分(质量分数,%) Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy raw material (mass fraction, %)

AlVFeCNOYSiHTi其它单个其它总量5.6~6.53.4~4.5≤0.25≤0.05≤0.030.08~0.13≤0.005≤0.10≤0.0125基体≤0.10≤0.30

图1 TC4-DT 钛合金原材料高、低倍组织 Figure 1 Microstructure and macrostructure of TC4-DT titanium alloy raw material

图2 TC4-DT 钛合金锻件低倍组织 Figure 2 Macrostructure of TC4-DT titanium alloy forgings

工艺1中TC4-DT钛合金锻件低倍组织不均匀,且在低倍试样心部清晰可见锻造流线。这主要是因为工艺1自由锻造火次较少,在保证总变形量的前提下,每火次变形量较大,梁类锻件各部分截面不同,受力不均导致组织不均匀。锻件心部由于大的变形量,发生动态再结晶,从而使得组织细化,局部应力集中导致出现锻造流线。

工艺2中TC4-DT钛合金锻件由于锻造火次多,锻造温度较高,低倍组织比较均匀,晶粒也比较大。

工艺1中TC4-DT钛合金锻件变形不均匀,锻件3个位置显微组织中均出现不同含量的残余初生α相,含量均小于5%,符合相关标准要求。由于变形不均匀,锻造过程中工艺1中锻件显微组织中初生α相破碎程度也不一样,导致最终锻件的初生α相含量也不尽相同。

2.2 TC4-DT钛合金锻件显微组织分析

(1)锻造火次影响TC4-DT钛合金锻件的均匀性,锻造火次增加,锻件的组织和拉伸性能均匀性增加。

工艺3中TC4-DT钛合金锻件由于锻造温度较低,阻碍了晶粒长大,使得锻件晶粒较小。

经热处理后,在TC4-DT锻件不同位置切取理化试料,然后测试力学性能,表2为3种工艺方法生产的TC4-DT锻件拉伸性能测试结果,测试取样部位均为锻件相同位置。由表2可见,TC4-DT钛合金锻件的力学性能指标均达到了相关标准要求。工艺1中TC4-DT钛合金锻件力学性能均高于其它两种工艺的锻件,具有较高的拉伸强度和塑性,这主要与工艺1中TC4-DT钛合金锻件显微组织中残余的初生α相有关。工艺1中TC4-DT钛合金锻件拉伸变形是在初生α相的个别晶粒中以滑移开始的,随变形量增加,滑移将占据越来越多的α晶粒,并向周围的β转变组织扩展,因而空洞形核、连接和扩展较迟,断裂前将产生更大的变形,因此拉伸性能较好[3]。但同时可以看出,工艺1中TC4-DT钛合金锻件拉伸性能相对其它两种工艺比较不均匀,与低倍、高倍组织结果一致,主要是由于锻造火次较少,变形不均匀导致的。

根据国际研究通用理论和范式,到目前为止生命周期评价理论(LCA)是对因生产、使用和废弃产品对环境造成的影响最为全面的一种测算理论及方法。根据国际ISO14040标准定义的技术框架,LCA评价过程包含目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释这4个有机组成部分,如图1所示。分为四个步骤:即目标与范围的确定——生命周期清单分析——生命周期影响评价——生命周期解释。

对比3种工艺的锻件显微组织可以看出,工艺3锻件显微组织中次生α相比较短小。这主要与锻造温度有关,工艺3锻件锻造温度较低,在保证相同变形量的前提下,使锻件显微组织中次生α长大的驱动力降低。

2.3 TC4-DT钛合金锻件拉伸性能分析

工艺2和工艺3中TC4-DT钛合金锻件显微组织中已经没有初生α相,可以说明锻造火次影响锻件最终组织中的初生α相含量,锻造火次增加则锻件显微组织中初生α相含量减少。

图3 TC4-DT钛合金锻件显微组织相片 Figure 3 Microstructure picture of TC4-DT titanium alloy forgings

表2 TC4-DT 钛合金锻件拉伸性能测试结果 Table 2 Tensile properties results of TC4-DT titanium alloy forgings

工艺方法RmMPaRp0.2MPaA%标准要求≥790≥685≥5工艺187592090984085689480184884376677282112.512.010.511.513.59.5工艺287487888487187087082983583482882381310.510.511.58.011.512.0工艺381384386582186681572777479078078772510.510.512.59.010.011.5

由于变形条件不同,TC4-DT钛合金锻件组织和拉伸性能存在较大差异。锻造火次影响锻件的组织均匀性。本文中由于TC4-DT钛合金锻件尺寸较大,锻件各部位截面相差较大,在保证相同变形量条件下,锻件各部位组织产生较大差异,拉伸

目前,外泌体的提取方法主要有差速离心法、超速离心法、过滤离心法、密度梯度离心法、免疫磁珠法和色谱法,而鉴定方法则主要包括透射电子显微镜、纳米颗粒跟踪分析技术、蛋白质印迹法和流式细胞术。外泌体的常规储存条件为-80℃,重复的冷冻和融化会影响囊泡的完整性[14]。外泌体分离鉴定后,可结合芯片和二代测序结果筛选与疾病相关的差异表达因子,并最终分析其可能参与的生物学功能及信号通路。近年来,调控外泌体释放和发挥生物学效应的信号通路仍不明确,考虑其与病毒在大小、密度、组成及功能等方面的相似性,故可借鉴病毒的相关成果来开展外泌体的系列性创新研究[15]。

3 讨论

由表2也可以看出,工艺2中TC4-DT钛合金锻件拉伸性能数据较均匀,与低倍组织结果一致,工艺2中锻件拉伸性能强度整体优于工艺3的锻件。组织决定性能,相比工艺3,工艺2中锻件低倍组织晶粒较大,显微组织中次生α相比较长。片层组织转变组织中有较多的次生条状α相,尺寸较大的集束决定了晶体具有很大的滑移长度,因在晶界和不同位集的交界处发生滑移堵塞,从而使拉伸性能提高。

性能也不尽相同。工艺1中由于锻造火次较少,锻件组织不均匀,拉伸性能也不均匀。但工艺1中锻件锻造火次较少,显微组织中存在一定的残余初生α相,导致锻件拉伸性能提高。锻造温度对于TC4-DT钛合金锻件组织和性能也有重要影响。随着锻造温度升高,TC4-DT钛合金锻件晶粒尺寸增大,显微组织中次生α长度增加,锻件的拉伸强度升高。

4 结论

图3为3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件显微组织相片,显微试样均取自TC4-DT钛合金锻件的相同位置。从图3可以看出,3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件显微组织均为片层组织,无冶金缺陷,均符合相关技术标准。

取纹波电压为10 mV,输出电流为1 A,则滤波电容为833 μF。为了减小电容ESR对纹波的影响,充放电回路选择两个1 000 μF电解电容器并联[9]。

(2)TC4-DT钛合金锻件显微组织中残余一定量的初生α相有利于提高拉伸性能。

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(3)锻造温度升高,TC4-DT钛合金锻件拉伸强度增加。

参考文献

[1] 王以华,林健,吴振清,等.钛合金的应用前景及其锻压技术[J].金属加工,2009(21):12-28.

[2] 史小云,付宝全,王文盛,等.锻造温度对 TC4-DT 钛合金棒材力学性能及显微组织的影响[J].中国有色金属学报,2010(10):79-82.

[3] 刘超平.热加工工艺对钛合金组织和性能的影响[D].沈阳:东北大学,2011.

刘卫
《大型铸锻件》 2018年第03期
《大型铸锻件》2018年第03期文献

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