N、O、Fe的含量对TA15钛合金性能和组织的影响(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)宝钢股份特殊钢分公司 作者:闵新华

  本文主要研究了杂质元素N、O、Fe 含量对TA15 钛合金力学性能的影响,并通过光学显微镜、扫描电镜等实验手段对不同杂质成分的微观组织进行了研究分析。研究结果表明:随着杂质N、O、Fe 含量的增加,TA15 钛合金的室温拉伸、高温持久均得到提高。在显观组织上,不同杂质含量的组织形貌、结构有一定的差别。

1、引言

  钛合金中含有Al、Mo、V、Zr 等合金元素和主要Fe、N、O 杂质元素,控制这些元素的一定含量和组合可以得到综合性能良好的半成品,为最终在航空、航天、石油、化工等重要行业用的零件提供优质的原材料。

  TA15是前苏联在本世纪60 年代初研制的近α型钛合金,它的名义成分是Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V,兼有α型和(α+β)型钛合金的优点,具有良好的热稳定性,长时间工作温度可达500℃。同时TA15 钛合金的焊接性和工艺塑性良好,可制成板材、棒材、锻件等多种规格产品,广泛应用于飞机发动机及机身结构件。

  TA15 钛合金采用的是普通退火制度(700℃~850℃,1h~4h 空冷),因此合金元素和杂质元素的成分、热加工工艺的控制对是强化性能的关键。本文主要研究了TA15 钛合金的杂质元素Fe、N、O的含量对力学性能影响,并通过光学显微镜和扫描电镜对TA15 不同杂质成分的微观组织进行了观察和分析,从而揭示TA15 钛合金中杂质元素强化性能的机理。

2、试验材料和方法

  试验的材料是采用三炉杂质成分不同的φ14mnn 棒材。这三炉棒材是由实验室冶炼的小锭采用相同冶炼工艺、相同的热加工工艺得到的。

  实验过程如下:先采用相同热处理制度将三炉试样退火后,测试了室温拉伸、高温拉伸、持久、冲击,并利用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对试样的微观组织结构进行了观察分析。

3、试验结果和分析

3.1、化学成分

  将主要合金元素控制在中线,然后设计了成分1:主要杂质元素N、O、Fe 均为海绵钛中带入,不另外配。成分2:在成分1 的基础上提高O、Fe的含量。而成分3:则在在前2 种成分的基础上又提高了N 的含量。测试结果见表1。

3.2、相变点

  由于O、N 是α稳定元素,提高相变点;Fe是β稳定元素,降低相变点,因此,不同O、N、Fe含量的成分得到的相变点会不一样(见表1)。成分2 由于增加了O、Fe,因此相变点比成分1 略高一些,而成分3 的N 增加较多,相变点要高出成分1、成分2 近20℃~30℃。

3.3、力学性能

  三种成分的试样得到的力学性能见表2。可以看到三种成分得到的力学性能有较大的差别。①室温拉伸强度:屈服强度和抗拉强度随着O、N、Fe含量的增加而逐渐提高,而成分3 的断面收缩率要比成分1 和成分2 低20%左右。②500℃的拉伸强度:成分1 的屈服强度和抗拉强度低于后两种成分,但成分2 和成分3 的屈服强度和抗拉强度相差不大;断面收缩率的变化趋势与室温一样。③500℃持久强度:成分1 的持久强度很差,达不到技术标准的要求,而成分2 和成分3 的持久强度均能满足技术指标。④室温冲击:随着O、N、Fe 含量的增加室温冲击值逐渐降低。

3.4、微观组织

  三种成分的试样退火后的微观组织见图1a,b,c、图2a,b,c。它们均为两相双态组织,由等轴或球状的初生α相和β转变组织组成。从光学显微镜得到的500 倍图片和高倍率的扫描照片来看:不同成分的组织中,初生α相的含量、尺寸以及β转变基体上次生α相的含量、长短都有差异。成分1的初生α相的含量最多,但大小不均匀,有大有小;成分2 的初生α相的尺寸最小,并且比较均匀。而成分1 的次生α相既有长条状,也有短棒状,尺寸也比较宽,(见图2a);成分2 中的黑色β转变基体较多(见图1b),但分布其中的条状次生α相比较均匀,均为短棒状;成分3 的试样组织中,球状的初生α相颗粒比较均匀,而分布在β转变基体上的条状次生α相也比较细。

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