川崎前锋08年比赛录像:N、O、Fe的含量對TA15鈦合金性能和組織的影響

真空材料 閔新華 寶鋼股份特殊鋼分公司

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  本文主要研究了雜質元素N、O、Fe 含量對TA15 鈦合金力學性能的影響,并通過光學顯微鏡、掃描電鏡等實驗手段對不同雜質成分的微觀組織進行了研究分析。研究結果表明:隨著雜質N、O、Fe 含量的增加,TA15 鈦合金的室溫拉伸、高溫持久均得到提高。在顯觀組織上,不同雜質含量的組織形貌、結構有一定的差別。

1、引言

  鈦合金中含有Al、Mo、V、Zr 等合金元素和主要Fe、N、O 雜質元素,控制這些元素的一定含量和組合可以得到綜合性能良好的半成品,為最終在航空、航天、石油、化工等重要行業用的零件提供優質的原材料。

  TA15是前蘇聯在本世紀60 年代初研制的近α型鈦合金,它的名義成分是Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V,兼有α型和(α+β)型鈦合金的優點,具有良好的熱穩定性,長時間工作溫度可達500℃。同時TA15 鈦合金的焊接性和工藝塑性良好,可制成板材、棒材、鍛件等多種規格產品,廣泛應用于飛機發動機及機身結構件。

  TA15 鈦合金采用的是普通退火制度(700℃~850℃,1h~4h 空冷),因此合金元素和雜質元素的成分、熱加工工藝的控制對是強化性能的關鍵。本文主要研究了TA15 鈦合金的雜質元素Fe、N、O的含量對力學性能影響,并通過光學顯微鏡和掃描電鏡對TA15 不同雜質成分的微觀組織進行了觀察和分析,從而揭示TA15 鈦合金中雜質元素強化性能的機理。

2、試驗材料和方法

  試驗的材料是采用三爐雜質成分不同的φ14mnn 棒材。這三爐棒材是由實驗室冶煉的小錠采用相同冶煉工藝、相同的熱加工工藝得到的。

  實驗過程如下:先采用相同熱處理制度將三爐試樣退火后,測試了室溫拉伸、高溫拉伸、持久、沖擊,并利用光學顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡對試樣的微觀組織結構進行了觀察分析。

3、試驗結果和分析

3.1、化學成分

  將主要合金元素控制在中線,然后設計了成分1:主要雜質元素N、O、Fe 均為海綿鈦中帶入,不另外配。成分2:在成分1 的基礎上提高O、Fe的含量。而成分3:則在在前2 種成分的基礎上又提高了N 的含量。測試結果見表1。

3.2、相變點

  由于O、N 是α穩定元素,提高相變點;Fe是β穩定元素,降低相變點,因此,不同O、N、Fe含量的成分得到的相變點會不一樣(見表1)。成分2 由于增加了O、Fe,因此相變點比成分1 略高一些,而成分3 的N 增加較多,相變點要高出成分1、成分2 近20℃~30℃。

3.3、力學性能

  三種成分的試樣得到的力學性能見表2??梢鑰吹餃殖煞值玫降牧ρ閱苡薪洗蟮牟畋?。①室溫拉伸強度:屈服強度和抗拉強度隨著O、N、Fe含量的增加而逐漸提高,而成分3 的斷面收縮率要比成分1 和成分2 低20%左右。②500℃的拉伸強度:成分1 的屈服強度和抗拉強度低于后兩種成分,但成分2 和成分3 的屈服強度和抗拉強度相差不大;斷面收縮率的變化趨勢與室溫一樣。③500℃持久強度:成分1 的持久強度很差,達不到技術標準的要求,而成分2 和成分3 的持久強度均能滿足技術指標。④室溫沖擊:隨著O、N、Fe 含量的增加室溫沖擊值逐漸降低。

3.4、微觀組織

  三種成分的試樣退火后的微觀組織見圖1a,b,c、圖2a,b,c。它們均為兩相雙態組織,由等軸或球狀的初生α相和β轉變組織組成。從光學顯微鏡得到的500 倍圖片和高倍率的掃描照片來看:不同成分的組織中,初生α相的含量、尺寸以及β轉變基體上次生α相的含量、長短都有差異。成分1的初生α相的含量最多,但大小不均勻,有大有??;成分2 的初生α相的尺寸最小,并且比較均勻。而成分1 的次生α相既有長條狀,也有短棒狀,尺寸也比較寬,(見圖2a);成分2 中的黑色β轉變基體較多(見圖1b),但分布其中的條狀次生α相比較均勻,均為短棒狀;成分3 的試樣組織中,球狀的初生α相顆粒比較均勻,而分布在β轉變基體上的條狀次生α相也比較細。