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一种超高强钛合金的组织性能研究

发布日期:2018-02-28 作者: 点击:

1.前言

钛合金由于低密度、高比强度及良好的耐蚀性使其在航空航天、船舶和兵器等领域获得了广泛应用。高强度及超高强度钛合金由于其优良的特性在高性能飞行器结构材料中更占有重要地位。高强度钛合金是指室温拉伸强度为1100~1400MPa之间的钛合金,主要用来代替飞机结构中常用的高强结构钢,可减轻结构重量的40%,典型的有美国的Ti1023(Ti-10V-2Fe-3Al),该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当,具有优异的锻造性能;Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn),该合金冷加工性能比工业纯钛还好,时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上;前苏联的BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)合金其拉伸强度大于等于1105Mpa,已成功用作机身、机翼、起落架和其它高承载部件;国内方面,主要有北京有色金属研究院研制出的TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al),宝鸡有色金属研究所研制的TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al)和上海钢铁研究所研制的TB4(Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr)[5]以及九五期间仿制美国β-21S的TB8(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si)等合金。超高强度钛合金[2]是指室温拉伸强度超过1400MPa的钛合金,用以代替超高强度钢制造飞机起落架的主承力构件,可减轻结构重量30%,目前这类合金还处在研制发展阶段,达到这种强度级别的钛合金如Ti-8V-5Fe-1Al亚稳定β钛合金,采用快速凝固粉末冶金工艺生产的Ti-8V-5Fe-1Al合金,其室温抗拉强度为1480MPa,伸长率为8%。

随着现代航空飞行器对承力构件性能的要求越来越高,提高结构钛合金性能已成为研究热点,近年来,国内外致力于开发1400Mpa级以上的超高强β钛合金。本文所研究的一种Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb系合金是宝钛集团有限公司自主研发的超高强度钛合金,其Kβ稳定系数约1.33,钼当量约14.2,属于近β型钛合金,棒材经固溶时效处理后的性能可达较高水平。

2.试验方法

试验在宝钛集团有限公司生产线上完成,经真空自耗电弧炉3次熔炼后得到合金铸锭,对铸锭进行化学成分分析并测试相变点。塑性加工分别在3150t水压机进行开坯锻造,再到SXP精锻机上进行精锻,最后经横列式轧机出Φ12.5mm×L热轧棒材,并进行固溶时效处理。同时,试验通过金相、力学、SEM、XRD、差热分析等手段对合金不同加工状态的组织性能进行分析测试。

......

3.结论

(1)铸态合金的晶粒分布不匀,比较粗大,晶粒直径大小约为1000~2000μm,且β晶内和晶界都有α相析出;经过锻造,合金晶粒细化到100μm,α相主要沿β晶界针状析出,β晶内分布明显减少;再经热轧后,晶粒进一步细化到20μm左右,合金为单相的β组织。

(2)合金经精锻后,棒材截面上的硬度分布较开坯锻造时均匀,硬度值较开坯锻造时的360HV有所提高,较铸态的295HV显著提高,达到380HV。

(3)合金经热轧后抗拉强度为RM=861MPa,延伸率为A=17.5%左右,经800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶时效处理后,大量均匀细小的α相由β基体内析出,且以短片状的形式互相平行或垂直分布其中。同时,合金性能达到RM=1509MPa,R0.2=1349MPa,A=7.84%的水平。


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