Einfluss des Wärmebehandlungsprozesses auf die Struktur und die mechanischen Eigenschaften hochfester Titanlegierungsstäbe

1. Einleitung

Titan und Titanlegierungen verfügen über viele hervorragende Eigenschaften wie hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit. Mit der steigenden Nachfrage nach Materialleistungen in der Luft- und Raumfahrt, Schiffstechnik, Waffen und Ausrüstung, Biomedizin, Petrochemie und anderen Bereichen haben sich hochfeste Titanlegierungen schnell entwickelt. Titanlegierungen vom Fast-Typ können durch optimierte Verarbeitung hervorragende Eigenschaften von hoher Festigkeit und Zähigkeit erzielen Wärmebehandlungsverfahren Titanlegierungen mit einer Zugfestigkeit von 1300 MPa, einer Dehnung von 6 % und einer Bruchzähigkeit von 50 MPa/m2 werden üblicherweise als ultrahochfeste Titanlegierungen bezeichnet. Untersuchungen zeigen, dass die Korngröße, die Länge und Dicke von Lamellen und Die Phase an der Korngrenze ist der Hauptfaktor, der die Festigkeit und Zähigkeit von Titanlegierungen beeinflusst. Die Lamellen innerhalb der Körner können die Matrix stärken und den Rissausbreitungsweg verlängern, was der Optimierung der Legierung zugute kommt. Starke Zähigkeit. Kontinuierliche Korngrenzen beeinflussen die Plastizität der Legierung, aber wenn die Korngröße größer als die plastische Zone der Rissspitze ist, hat dies keinen Einfluss auf die Zähigkeit der Legierung. Niinomi et al. fanden heraus, dass die Korngröße der Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-Legierung zunimmt, die Rissbildungsbeständigkeit zunimmt und die Bruchzähigkeit der Legierung zunimmt. Um hochfeste und hochzähe Titanlegierungen zu erhalten, werden Titanlegierungen üblicherweise in der Phasenzone wärmebehandelt, um gleichachsige Körner größerer Größe zu erhalten, und die volllamellare Struktur wird durch weitere Alterungsverfestigung zur Verbesserung der Legierungsfestigkeit erhalten

 

Durch die Phasenzonenbehandlung entstehen gleichachsige Körner. Korngröße und Korngrenzenfestigkeit sind die Hauptfaktoren, die die Festigkeit und Zähigkeit ultrahochfester Titanlegierungen beeinflussen. Es ist eine wirtschaftliche Möglichkeit, die Mikrostruktur von Titanlegierungen durch Anpassung der Parameter des Wärmebehandlungsprozesses zu steuern. Und wirksame Stärkungsmittel. In diesem Artikel werden Strukturen mit unterschiedlichen Korngrößen und unterschiedlichen Korngrenzenmorphologien durch die Regulierung des Wärmebehandlungssystems hochfester Titanlegierungen erzielt. Es wird der Einfluss der Mischkristallzeit im Phasenbereich auf die Korngröße und die mechanischen Eigenschaften hochfester Titanlegierungen untersucht. Der zweistufige Einfluss des Korngrenzenvergröberungsverhaltens auf die mechanischen Eigenschaften von Legierungen während des Mischkristallprozesses bietet eine theoretische Referenz für die industrielle Herstellung hochfester Titanlegierungen.

2. Experimentieren

Die im Experiment verwendete Titanlegierung ist eine neue Art von Ti-Al-Mo-V-Cr-X-Legierung, die unabhängig von der Forschungsgruppe des Autors entwickelt wurde. Der Phasenumwandlungspunkt der Legierung liegt bei etwa 800 Grad. Nach dreimaligem Vakuumschmelzen des Verbrauchsmaterials wird der Barren erhalten. Nachdem die Phasenzone geöffnet wurde, werden die (+)-Phasenzone und die Phasenzone geschmiedet, um einen großen Titanlegierungsstab mit einem Durchmesser von 400 mm zu erhalten.

Um eine unzureichende Gleichmäßigkeit der großformatigen Stabstruktur zu vermeiden und die Versuchsergebnisse zu beeinträchtigen, wurde nur das Kernmaterial des geschmiedeten Stabes beprobt. Verschiedene Designs des Wärmebehandlungsprozesses sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Legierungsprobe wurde einer Mischkristallbehandlung in der Phasenzone unterzogen, 5 bis 240 Minuten lang gehalten, luftgekühlt und dann bei 530 Grad für 4 Stunden Alterung vereinheitlicht, wie dargestellt in Abbildung 1a. Die Legierung wird einer zweistufigen Mischkristalllösung, zweistufiger Mischkristallmethode A, unterzogen: zuerst eine Stunde lang bei einer Temperatur über dem Phasenumwandlungspunkt (820 Grad) fest in Lösung gebracht, dann auf Raumtemperatur luftgekühlt und dann weitergegeben durch die (+)-Phasenzone bei unterschiedlichen Temperaturen (740, 760 bzw. 780 Grad) und dann an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt (berechnet als 820 + 740, 820 + 760 bzw. 820 +780) für 1 Stunde und schließlich einer Alterungsbehandlung bei 530 Grad/4 Stunden unterzogen, wie in Abbildung 1b gezeigt. Zweistufige Festlösungsmethode B: Festlösung bei 820 Grad für 1 Stunde, dann langsam im Ofen auf verschiedene Temperaturen in der (+)-Phasenzone (740, 760 und 780 Grad) abgekühlt, 1 Stunde lang gehalten und dann an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt Temperatur (jeweils berechnet als 820 ~ 740, 820 ~ 760 und 820 ~ 780) und schließlich einer Alterungsbehandlung bei 530 Grad/4 Stunden unterzogen, wie in Abbildung 1c gezeigt.

Nachdem die oben genannten Proben mit fester Lösung und Alterungsbehandlung mechanisch geschliffen, poliert und chemisch geätzt wurden, wurde die Legierungsstruktur mit einem metallografischen Mikroskop und einem Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop TESCAN MIRA3 beobachtet. Die Zugmaschine INSTRON5982 wurde verwendet, um gleichmäßige Zugexperimente an jeder Probengruppe durchzuführen, und die Zuggeschwindigkeit betrug 0. 5mm/min. Die SANS-ZBC2452-C-Metallpendelschlagprüfmaschine wurde verwendet, um den Metall-Charpy-U-förmigen Öffnungsschlagversuch an jeder Probengruppe durchzuführen.

3. Ergebnisse und Diskussion

Durch Steuerung des Mischkristall- und Alterungswärmebehandlungsregimes wurde eine Titanlegierung mit gleichachsigen Körnern und Lamellen erhalten und die Auswirkungen der Korngröße und der Korngrenzenmorphologie auf die mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen mit ultrahoher Festigkeit untersucht.

3.1 Einfluss der Korngröße auf die mechanischen Eigenschaften von Legierungen

Die Titanlegierung wurde 5 bis 240 Minuten lang bei 820 Grad gehalten, dann auf Raumtemperatur luftgekühlt und dann 4 Stunden lang bei 530 Grad gealtert. Die Mikrostruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei einer Festlösungszeit von 5 und 10 Minuten wurden aufgrund der kurzen Haltezeit keine rekristallisierten Körner beobachtet, und die gekrümmten ursprünglichen Korngrenzen sind immer noch zu beobachten, und die Korndurchmesser betragen 154 bzw. 143 μm. Wenn die Zeit der festen Lösung 20 Minuten beträgt, können einige rekristallisierte Körner mit geraden Korngrenzen beobachtet werden. Die Größe der rekristallisierten Körner ist mit einem Durchmesser von 55 μm klein. Wenn die Zeit der festen Lösung 30 Minuten beträgt, sind alle Korngrenzen der Legierung gerade und klar, was darauf hinweist, dass die Legierung vollständig rekristallisiert ist und gleichzeitig die rekristallisierten Körner gewachsen sind und ihr Durchmesser etwa 88 μm beträgt. Diskontinuierliche Korngrenzen können beobachtet werden, wenn die feste Lösung 5 und 10 Minuten lang aufgelöst wird, wie in den Abbildungen 3a und 3b dargestellt; Wenn die Zeit der festen Lösung 20 Minuten beträgt, können gerade rekristallisierte Korngrenzen beobachtet werden (Abbildung 3c), die nicht vollständig rekristallisiert sind. Während der Kristallisation ist noch eine geringe Menge Primärphase zu beobachten; Wenn die Zeit der festen Lösung 30 Minuten beträgt, sind nur gerade Korngrenzen vorhanden (Abbildung 3d) und die Legierung ist zu diesem Zeitpunkt vollständig rekristallisiert.

Wie in Abbildung 2e bis 2f dargestellt, wachsen die rekristallisierten Körner mit zunehmender Zeit der festen Lösung gleichmäßig und die Größe nimmt allmählich zu. Wenn die Zeit der festen Lösung 240 Minuten erreicht, ist die Korngröße mit einem Durchmesser von etwa 186 μm am größten. Das Wachstum von Körnern ist das Ergebnis der Grenzflächenmigration. Die treibende Kraft der Grenzflächenmigration bei konstanter Temperatur kann als Formel (1) ausgedrückt werden:

In der Formel ist die Grenzflächenenergie (J/m2); R ist der Krümmungsradius der Grenzfläche (m); p ist die treibende Kraft der Grenzflächenmigration (J/m3). Je kleiner der Kornradius ist, desto größer ist die Grenzflächenkrümmung. Je kleiner der Krümmungsradius der Grenzfläche ist, desto größer ist die treibende Kraft der Phasenänderung und desto höher ist die Migrationsrate der Grenzfläche. Der Migrationsprozess der Grenzfläche ist der Prozess der Verringerung der Krümmung der Grenzfläche und der Verringerung der Differenz der freien Energie auf beiden Seiten der Grenzfläche [15]. Daher wachsen während des isothermen Mischkristallprozesses mit zunehmender Haltezeit einige der größeren Körner weiter, während die kleineren Körner allmählich schrumpfen und schließlich verschwinden, wenn die Korngrenzen wandern.

Daher wird bei einer Festlösungszeit von 60 bis 240 Minuten ein großer Unterschied in der Korngröße in der Mikrostruktur beobachtet. Der Zusammenhang zwischen Korngröße und Zeit der festen Lösung ist in Abbildung 4 dargestellt. Wenn die Legierung vollständig rekristallisiert ist, wird die Korngröße mit zunehmender Zeit der festen Lösung deutlich größer. Die Änderung der mechanischen Eigenschaften einer ultrahochfesten Titanlegierung mit der Lösungszeit ist in Abbildung 5 dargestellt. Wenn die Lösungszeit 5 bis 20 Minuten beträgt, ist die Festigkeit der Legierung höher, aber die Plastizität und Zähigkeit sind geringer. Dies liegt daran, dass die Lösungszeit kurz ist und die Legierung nicht vollständig gebildet ist. Nach der Rekristallisation ist noch ein Teil des ursprünglichen Gewebes erhalten. Wenn die Zeit der festen Lösung im Bereich von 30 bis 240 Minuten liegt, erfährt die Legierung eine vollständige Rekristallisation. Mit zunehmender Zeit der festen Lösung erhöht sich der Korndurchmesser von 88 auf 186 μm. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung und die Zeit der festen Lösung entsprechen nicht dem linearen Gesetz. Die Analyse zeigt, dass bei einer Festlösungszeit von 60 Minuten eine große Anzahl kleiner Körner, die sich aufgrund der Grenzflächenmigration bilden, eine lokale Spannungskonzentration verursacht. Zu diesem Zeitpunkt sind die Streckgrenze und die Zugfestigkeit der Legierung am höchsten. , bzw. 1346 und 1391 MPa. Die Zeit der festen Lösung hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Dehnung, Flächenverringerung und Schlagzähigkeit der Legierung. Dies liegt daran, dass die Korngröße der Legierung nach einer kurzen Zeit der festen Lösung kleiner wird, was die Möglichkeit einer interkristallinen Rissbildung erhöht. Gleichzeitig wird ab einem bestimmten Punkt der Rissausdehnungsweg um ein gewisses Maß verlängert; Mit zunehmender Zeit der festen Lösung nimmt der Korndurchmesser zu und die Anzahl der Korngrenzen ab, wodurch die Möglichkeit intergranularer Risse verringert und die Plastizität und Zähigkeit der Legierung verbessert werden. Basierend auf den beiden oben genannten Faktoren hat die Zeit der festen Lösung keinen wesentlichen Einfluss auf die Plastizität und Zähigkeit der Legierung.

3.2 Einfluss der Korngrenzenmorphologie auf die mechanischen Eigenschaften von Legierungen

Um den Einfluss der Korngrenzenmorphologie auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung zu untersuchen, wurde die zweistufige Mischkristallmethode A und B verwendet, um die vergröberte Korngrenzenstruktur zu erhalten. Nach der Alterungsbehandlung wird die lamellare Sekundärphase in der Matrix ausfallen und sich der Burgers-Orientierungsbeziehung mit der Matrix anpassen. Größe und Dicke der Sekundärlamellen hängen von der Alterungstemperatur und -zeit ab. Um den Einfluss der Morphologie der Sekundärlamellen auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung zu vermeiden, wurden die durch die beiden Methoden erhaltenen festen Lösungsstrukturen bei 530 Grad vereinheitlicht und 4 Stunden lang gealtert, um die endgültige Mikrostruktur zu erhalten. Die Mikrostruktur ist in Abbildung dargestellt 6. Sekundärlamellen im Mikrometerbereich ähnlicher Größe und Dicke sind gleichmäßig in der Matrix angeordnet. Das Vergröberungsphänomen der Korngrenzen kann bei unterschiedlichen Wärmebehandlungsbedingungen beobachtet werden. Je niedriger die Temperatur der festen Lösung im (+)-Phasenbereich ist, desto größer ist das Vergröberungsphänomen der Korngrenzen. Je offensichtlicher es ist.

Beim zweistufigen Mischkristallverfahren A erhält die Titanlegierung vom Typ - gleichachsige Körner mit geraden Korngrenzen nach der Mischkristalllösung in der Phasenzone, und die Phase wird in der Mischkristallstufe der zweiten Phase (+) der Phasenzone gebildet. Aufgrund des hohen Gehalts an stabilisierenden Elementen in ultrahochfesten Titanlegierungen und der relativ stabilen Matrix ist die für die Keimbildung mithilfe von Korngrenzen erforderliche Energie viel geringer als die Energie, die für eine gleichmäßige Keimbildung im Kristall selbst erforderlich ist [ 16,17], so übernimmt die Phase im Kristall die Führung. Es bildet sich an der Grenze und wächst allmählich in das Korn hinein und bildet eine vergröberte Korngrenze, wie in Abbildung 6a bis 6c dargestellt. Wenn die Temperatur der festen Lösung im (+)-Phasenbereich 740 Grad beträgt, wird in Abbildung 6a eine kleine Menge Primärphase im Kristall beobachtet. Gemäß dem thermodynamischen Gleichgewichtsphasendiagramm einer Titanlegierung nimmt der Phasenanteil zu, wenn die Temperatur der festen Lösung sinkt. Die Temperatur bei 740 Grad fester Lösung ist niedriger, und der größere Unterkühlungsgrad erhöht die treibende Kraft der Keimbildung und fördert die Keimbildung der Phase. Wenn die Temperatur der festen Lösung ansteigt, kann die durch Unterkühlung bereitgestellte kritische Keimbildungsarbeit die Keimbildungsenergiebarriere nicht überwinden. Daher kann das Vorhandensein einer Primärphase im Kristall während der festen Lösung bei 760 und 780 Grad nicht beobachtet werden, und wenn ( + ) die Temperatur der festen Lösung im Phasenbereich abnimmt, ist der Grad der Korngrenzenvergröberung offensichtlich. Beim zweistufigen Festlösungsverfahren B wird der Ofen nach der Festlösung in der Phasenzone langsam auf die (+)-Phasenzone abgekühlt und auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten. Die Abkühlgeschwindigkeit der Ofenkühlung beträgt ca. 1 Grad/min.

Aufgrund der geringen Abkühlgeschwindigkeit kommt es in der Anfangsphase des langsamen Abkühlprozesses weder zu Zusammensetzungs- noch zu Temperaturschwankungen in der Matrix, was die Keimbildung der Primärphase in den Körnern erschwert. Mit zunehmender Abkühlzeit sinkt die Temperatur der festen Lösung allmählich, und die Primärphase fällt entlang der Korngrenzen aus, wobei ein Teil der Korngrenzen als heterogene Keimbildungspunkte fungiert, und wächst allmählich in das Innere der Körner hinein. In Titanlegierungen nimmt der Anteil der Primärphase zu, wenn die Mischkristalltemperatur des (+)-Phasenbereichs abnimmt. Im Lösungsmodus B werden die Korngrenzen gröber, je niedriger die Temperatur der festen Lösung im (+)-Phasenbereich ist. Je größer die Zahl.

In den Abbildungen 6d bis 6f ist jedoch nicht zu erkennen, dass die Temperatur der festen Lösung im (+)-Phasenbereich einen signifikanten Einfluss auf den Vergröberungsgrad der Korngrenze hat. Dies liegt daran, dass je niedriger die Temperatur der festen Lösung ist, desto geringer ist die kinetische Antriebskraft, die das Wachstum von Korngrenzen fördert, was dem Wachstum von Korngrenzen nicht förderlich ist.

Die Legierung wurde auf zwei Arten feststofflöslich gemacht und dann gleichmäßig gealtert. Seine Zugeigenschaften und Schlageigenschaften sind in Abbildung 7 dargestellt. Für die beiden Mischkristallmodi gelten ähnliche Regeln. Mit zunehmender Temperatur der festen Lösung in der (+)-Phasenzone nehmen die Festigkeit und Plastizität der Legierung zu, die Änderung der Schlagzähigkeit ist jedoch nicht offensichtlich. In Kombination mit der Mikrostrukturanalyse geht man davon aus, dass im zweistufigen Mischkristallmodus A der Korngrenzenvergröberungseffekt umso signifikanter ist, je niedriger die Mischkristalltemperatur des (+)-Phasenbereichs ist. Während im zweistufigen Mischkristallmodus B (Je niedriger die Temperatur der Mischkristalle im +-Phasenbereich ist), desto gröbere Korngrenzen vorhanden sind und gleichzeitig die Festigkeit und Plastizität der Legierung abnehmen, was darauf hinweist, dass Korn Durch die Grenzvergröberung werden die Korngrenzen schwächer und die Festigkeit und Plastizität der Legierung beeinträchtigt. Dies liegt daran, dass die vergröberten Korngrenzen aus Primärphase bestehen und die nach der Alterung gebildeten Lamellen die Matrix verstärken, sodass ihre Festigkeit viel höher ist als die der Korngrenzenphase. Daher verformen sich die vergröberten Korngrenzen während des Zugversuchs bevorzugt, während die verstärkte Matrix schwer zu verformen ist. Mit zunehmendem Verformungsgrad konzentriert sich die Spannung auf die Grenzfläche zwischen den Korngrenzen und es bilden sich Risse. Die Risse neigen dazu, sich entlang der Korngrenzen auszubreiten und interkristalline Brüche zu verursachen, was zu einer gleichzeitigen Abnahme der Festigkeit und Plastizität der Legierung führt [ 17]. Die Legierung erfährt nur im Phasenbereich eine feste Lösung und Alterung, ohne dass es zu einer Vergröberung der Korngrenzen kommt. Seine Streckgrenze beträgt 1346 MPa, die Zugfestigkeit beträgt 1391 MPa und die Dehnung beträgt 5 %, wie in Abbildung 5 nach 60 Minuten fester Lösung dargestellt. Im Gegensatz dazu nehmen nach der Vergröberung der Korngrenzen durch die zweistufige feste Lösung Festigkeit und Plastizität in unterschiedlichem Maße ab. Unter diesen ist der Effekt der Korngrenzenvergröberung bei der Methode A mit fester Lösung signifikanter als der bei Methode B mit fester Lösung, sodass die Gesamtfestigkeit der Legierung geringer ist. .

Abbildung 8 zeigt die Zugbruchmorphologie von zwei Arten von zweistufiger fester Lösung und einheitlicher Alterung. Es wird beobachtet, dass der makroskopische Bruch der Probe eine große Anzahl flacher Facetten aufweist. Eine weitere Betrachtung hochvergrößerter Fotos der Fraktur zeigt, dass diese Facetten glatt und flach sind, was an den Rändern typisch ist. Es gibt auch einige Grübchen geringer Tiefe auf der kristallinen Bruchoberfläche, was darauf hindeutet, dass es sich beim Bruchmechanismus um einen gemischten Bruchmechanismus mit intergranularem Bruch handelt. Durch Vergleich wurde festgestellt, dass bei der zweistufigen Mischkristallmethode A glattere und flachere intergranulare Bruchflächen beobachtet wurden, was auch bestätigte, dass Proben mit erheblichen Korngrenzenvergröberungseffekten eher intergranulare Brüche erleiden, was die Legierungsfestigkeit und -festigkeit verringert Plastizität gleichzeitig schlechter. . Daher sollte die Vergröberung von Korngrenzen mit geringerer Festigkeit im eigentlichen Produktionsprozess vermieden werden und das Problem schwacher Korngrenzen muss eingehend untersucht werden.

4. Fazit

(1) Bei ultrahochfesten Titanlegierungen, die oberhalb des Phasenumwandlungspunkts (800 Grad) fest gelöst und dann einer Alterungsbehandlung bei 530 Grad unterzogen werden, nimmt die durchschnittliche Korngröße von zu Die Legierung nimmt allmählich zu und die Korngrenzen des isothermen Mischkristallprozesses wandern, einige Körner wachsen auf und einige Körner schrumpfen, bis sie verschwinden. Dieser Prozess führt zu einem großen Unterschied in der Korngröße. Eine Isolierung der Phasenzone für 30 bis 240 Minuten hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Zugeigenschaften und Schlageigenschaften der Legierung.

(2) Die ultrahochfeste Titanlegierung wird einer zweistufigen Mischkristall- und 530-Grad-Alterungsbehandlung unterzogen. Bei der Mischkristallmethode A (die Phasenzone wird auf Raumtemperatur abgekühlt und dann wird die (+)-Phasenzone fest gelöst), da in der zweiten Stufe (+) die Temperatur der festen Lösung im Phasenbereich abnimmt und das Korn Der Grenzvergröberungseffekt wird allmählich sichtbar. Aufgrund der starken Unterkühlung während der festen Lösung bei 740 Grad bildet sich im Inneren einiger Körner eine Primärphase; Im Festlösungsmodus in B (der Phasenbereich wird fest aufgelöst und dann wird der Ofen auf den (+)-Phasenbereich abgekühlt) führt die langsame Abkühlgeschwindigkeit nur zu einer Vergröberung eines Teils der Korngrenzen. Wenn die Temperatur der festen Lösung sinkt, wächst die Phase an der Korngrenze. Die chemische Antriebskraft wird reduziert, so dass der Effekt der Korngrenzenvergröberung bei unterschiedlichen Temperaturen der festen Lösung gleichwertig ist, aber je niedriger die Temperatur der festen Lösung ist, desto größer ist die Anzahl der vergröberten Korngrenzen.

(3) Die Festigkeit der vergröberten Korngrenze ist gering und sie verformt sich während des Verformungsprozesses bevorzugt, was zu Spannungskonzentration und Rissbildung führt. Der Riss breitet sich entlang der Kornrichtung aus, wodurch gleichzeitig die Festigkeit und Plastizität der Legierung abnimmt. Je offensichtlicher der Effekt der Korngrenzenvergröberung ist, desto größer ist der Einfluss auf die Festigkeit der Legierung. Und je größer der Einfluss auf die Plastizität ist, da sich die Korngröße nicht ändert, hat dies keinen wesentlichen Einfluss auf die Schlagzähigkeit der Legierung.

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