高强β钛合金双级时效强化机理研究

高强β钛合金双级时效强化机理研究

高强β钛合金具有良好的塑性加工性能及比强度,因此在航空航天和汽车行业等领域应用广泛。然而随着工业的快速发展,对高强β钛合金的强度和塑性的综合性能匹配要求越来越高,改善其综合性能匹配势在必行。

以锻态高强β钛合金Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe为研究对象,较为系统的研究了固溶后低温预时效、升序双级时效和降序双级时效对合金显微组织演变及力学性能影响。研究了合金在升序双级时效工艺过程中的低温预时效工艺(300℃、350℃和400℃)对显微组织演变及力学性能的影响。

合金首先经过β单相区固溶后,得到晶粒尺寸200μm左右的β单相组织。在预时效初期,基体中开始析出α相和等温ω相。

随着低温预时效时间延长,等温ω相逐渐消失,最终合金显微组织由针状次生α相和β相组成。另一方面,在300℃和350℃低温预时效时,合金预时效强度变化不大。

合金低温预时效温度为400℃时,合金的预时效强度随着预时效时间的延长显著提高,时效2h以后强度可达1400MPa以上,但延伸率损失严重。研究了升序双级时效工艺对β钛合金显微组织演变及对力学性能的影响。

对经过低温预时效后的合金,进行高温度再时效时。结果发现,相比于单级时效工艺,通过升序双级时效可以有效细化显微组织中的次生α相尺寸,提高次生α相析出体积分数。

升序双级时效工艺能够显著提升合金强度,并且合金的强度随着低温预时效时间的延

长和低温预时效温度的升高而提高,最高可达到1850MPa。相比于单级时效工艺,在升序双级时效工艺条件下合金塑性损失严重。

另外,对合金时效硬化曲线研究发现,通过升序双级时效可以提高合金的硬度,并且加快合金的硬化速度。升序双级时效可以有效提高合金的强度,但塑性降低明显,针对此问题提出了降序双级时效工艺,探索并研究了降序双级时效工艺对合金显微组织演变及力学性能的影响。

将合金在550℃高温预时效后,再分别进行350℃和400℃低温再时效。结果发现,降序双级时效工艺与单级时效相比,通过扫描观察到的显微组织变化不明显,通过XRD分析发现,随着低温再时效时间的延长晶格发生收缩,并且在时效温度为400℃表现的尤为明显。

通过透射电镜显微组织发现,经降序双级时效合金中,发现了晶面α和渗入α相。相比于单级时效,合金经降序双级时效可以提高合金的强度,在550℃/4h+400℃/24h条件下合金强度达到1606MPa,延伸率在6.06%左右。

相比于升序双级时效工艺,采用降序双级时效工艺强化后的合金强度提升能力略低,但合金塑性表现良好。对降序双级时效硬化曲线研究发现,合金的硬度随着低温再时效温度的提高与再时效时间的延长合金硬度逐渐提高。