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航空紧固件热成型温度对显微组织的影响

Ti-6Al-4V钛合金是一种中等强度的α+β型两相钛合金,与国内TC4材料相近,含有6%的α稳定元素Al和4%的β稳定元素V。该合金具有优异的综合性能,在航空和航天领域获得了广泛应用,长时间工作温度可达400℃,在航空工业中主要用于制造发动机的风扇、压力机盘与叶片,以及飞机结构中的梁、接头和隔框、紧固件等重要的承力构件。


为了保证紧固件良好的疲劳、持久等力学性能,头部常采用镦制成型。而Ti-6Al-4V在室温下的退火态组织为大量的α(hcp)相+少量的β(bcc)相,由于α相(hcp)的冷变形能力要比β相(bcc)差与钛合金导热性差,如果采取冷镦成型,易产生折叠、裂纹,内部空洞及绝热剪切带等缺陷;所以Ti-6Al-4V往往采取头部热镦成型。在实际生产过程中,为了保证产品进度,常采用加热效率高、生产速度快的高频加热方式进行升温。在应变速率不变的情况下,提高成型温度,有利于材料的塑性变形。但高频加热速度快,温度难以控制,易造成产品过热。


1.原材料验证

为了保证Ti-6Al-4V钛合金紧固件热成型质量,有效地控制其加热温度及保温时间,现选取了不同加热参数,通过对显微组织观察,判断热加工参数设置的合理性。


为了保证试验结果的准确性,选取了进口的Ti-6Al-4V钛合金材料,其显微组织如图1所示。

(a)横向组织(200×)                   (b)纵向组织(200×)

图1 Ti-6Al-4V原材料显微组织


图1显示了Ti-6Al-4V原材料显微组织形貌。图1a为横向显微组织形貌,图1b为纵向显微组织形貌特征。从图中可以看出:其显微组织形态为等轴组织,在等轴的α相基体上,分布着细小的β相。该材料组织均匀,未见明显冶金缺陷,为典型的α+β双相钛合金。


为验证加热参数对原材料显微组织的影响,将该Ti-6Al-4V原材料用高频加热,加热至1000℃高于其相变点以上,保温15s。观察显微组织如图2所示。

(a)横向组织(100×)              (b)纵向组织(200×)

图2 原材料过热组织


图2显示了1000℃,保温15s的原材料显微组织特征。从图2a可以看出:在200×下,组织粗大,晶粒明显,晶粒内部有网状组织,未发现细小的β相存在;图2b与图2a具有类似的组织结构,晶粒基本上成等轴状,魏氏组织形貌。


由于Ti-6Al-4V中铝含量相对较低,所以其增加点阵的扭曲程度,阻止原子再结晶过程中的定向移动并延迟晶粒长大的能力较弱。所以当加热温度高于相变温度后,原细小的等轴双相组织,晶粒逐渐长大,原晶界处存在的细小β相,也融入了α相基体当中,随着温度的降低,在晶粒内析出网状的魏氏组织。


Ti-6Al-4V原材料为退火态,其组织为平衡态组织。在加热及保温过程中,没有产生再结晶,随着加热温度的升高,及保温时间的延长,其原子达到了扩散激活能,晶粒长大的驱动力来源于晶界迁移后体系总的自由能的降低。温度是影响晶粒长大的主要因素,而晶界的迁移与原子的扩散有关,扩散系数越大,晶界越容易迁移,即晶粒越容易长大。


通过对Ti-6Al-4V原材料高频加热至1000℃,保温15s,晶粒明显长大且成等轴状,并产生了魏氏组织。


2.产品镦制加热参数验证

为了验证Ti-6Al-4V钛合金紧固件在热镦时,是否出现过热现象,又对原材料进行了头部成型试验,其加热参数为温度1000℃及940℃,保温时间均为15s,其显微组织如图3所示。

(a)头、杆结合处显微组织(200×)           (b)杆部显微组织(100×)

(c)头、杆结合处显微组织(100×)           (d)头部非支撑面处显微组织(100×)

(e)头部非支撑面处显微组织(100×)      (f)头部非支撑面处显微组织(500×)

图3 不同温度处理的Ti-6Al-4V显微组织


图3显示了不同加热温度下的Ti-6Al-4V钛合金紧固件显微组织特征,从图中可以看出:图3a原材料经1000℃,保温15是之后,经冲床镦制成型后,晶粒长大,成等轴的六边形形状,组织分布较为均匀;图3b为杆部显微组织,晶粒从表层到内部依次减小,由于高频加热为瞬时加热,保温时间较短,材料仅表层获得了大量的能量,达到了原子的扩散激活能,使表层晶粒迅速长大,而材料内部仍保持原材料组织状态。加热镦制时,产生了动态再结晶,由于动态再结晶的晶核形成及晶粒长大期间仍受变形作用,使之反复形核、有限生长的特点,动态再结晶得到等轴晶粒组织,晶粒较为细小,晶粒大小决定于应变速率和变形温度。变形温度越高,应变速率越低,越得到较大的晶粒。


图3c为高频加热940℃,保温15s的显微组织,从图中可以看出:晶粒较1000℃,明显减小,晶粒破碎,刚形核的晶粒还没有完全长大,就失去了长大的驱动力;图3d为螺栓头部上端面的显微组织形貌特征,从图中可以看到在裂纹两边,显微组织完全不同,裂纹左边为过热组织,组织较为粗大,裂纹右边,组织为细密、破碎的显微组织。在塑性变形时,对于β相来说,属于体心立方结构(bcc)有48个滑移系;而α相为密排六方结构(hcp),只有3个滑移系。在受力时,体心立方结构(bcc)的β相比密排六方结构(hcp)的α相变形要容易的多,在受力时,滑移面的夹角与外力轴线的夹角越来越接近45°,并且在粗晶粒和细晶粒之间形成的内应力共同作用,导致了沿45°角开裂现象。


图3e为产品在成品检测时,发现的过热现象。从图中可以看出:晶粒粗大,基体上无初生的α相,晶内出现明显的魏氏组织,为典型的Ti-6Al-4V过热组织;图3f为图3e的放大500×,从图中可以看出:组织粗大,成网状的魏氏组织;图3e与图3f为热镦过热产品,又经940℃固溶与520℃时效处理之后的显微组织。过热组织在后续的热处理过程中,是很难纠正的。产品一经交付将对产品的机械性能产生较大影响。


为找到合适的温度和保温时间,使Ti-6Al-4V原材料热镦成型时,不产生过热现象,既节约资源,又保证生产效率。又进行了一系列的验证,当加热温度降低至890℃时,产品经镦制成型后其组织形貌如图4所示。

(a)杆部显微组织(200×)            (b)头、杆结合处显微组织(200×)

(c)杆部显微组织(200×)       (d)头、杆结合处显微组织(200×)

图4 不同加热温度下的显微组织


图4显示了在固溶温度940℃以下,加热温度为890℃和850℃的不同显微组织。图4a和图4b为加热温度为890℃下的杆部与头、杆结合处的组织特征,从图中可以看出:其显微组织组织与图1所示的原材料相差不大;图4c与图4d为加热温度为850℃下杆部与头、杆结合处的组织特征,其显微组织与图1中所示的原材料更为细小。在动态再结晶过程中,由于加热温度不高,新形核的晶粒还没有来得及长大就失去了长大所需的驱动力,造成晶粒细小。细小的晶粒在后续的热处理工程中,将逐步长大,由于加热温度的限制,其长大的程度受到很大的限制,形成更好力学性能的显微组织。


3.结语

通过对Ti-6Al-4V紧固件热镦加工参数对显微组织影响的研究,在1000℃及940℃下加热与保持较长时间,易产生显微组织过热、晶粒长大及形成魏氏组织等缺陷;在890℃与850℃下镦制,产品均未出现过热现象,无折叠、裂纹等缺陷产生,850℃下镦制更能提高生产效率及节约资源。后期热处理及实验证明,在该温度下加工的产品,经固溶、时效处理后,产品的抗拉、抗剪、疲劳、金相等均符合相关产品标准要求,保证了产品质量的一致性。


来源:热处理生态圈

作者:朱李云,空军驻郑州某军代室

           程全士、胡庆宽、许永春、冯德荣,河南航天精工制造有限公司

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