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  • 鈦合金的應用一種超高強鈦合金的組織性能研究

    1.前言

    鈦合金由于低密度、高比強度及良好的耐蝕性使其在航空航天、船舶和兵器等領域獲得了廣泛應用[1]。高強度及超高強度鈦合金由于其優良的特性在高性能飛行器結構材料中更占有重要地位。高強度鈦合金[2]是指室溫拉伸強度為1100~1400MPa之間的鈦合金,主要用來代替飛機結構中常用的高強結構鋼,可減輕結構重量的40%,典型的有美國的Ti1023(Ti-10V-2Fe-3Al),該合金與飛機結構件中常用的30CrMnSiA高強度結構鋼性能相當,具有優異的鍛造性能[3-5];Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn),該合金冷加工性能比工業純鈦還好,時效后的室溫抗拉強度可達1000MPa以上;前蘇聯的BT22(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)合金其拉伸強度大于等于1105Mpa,已成功用作機身、機翼、起落架和其它高承載部件[6];國內方面,主要有北京有色金屬研究院研制出的TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al),寶雞有色金屬研究所研制的TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al)和上海鋼鐵研究所研制的TB4(Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr)[5]以及九五期間仿制美國β-21S的TB8(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si)等合金。超高強度鈦合金[2]是指室溫拉伸強度超過1400MPa的鈦合金,用以代替超高強度鋼制造飛機起落架的主承力構件,可減輕結構重量30%,目前這類合金還處在研制發展階段,達到這種強度級別的鈦合金如Ti-8V-5Fe-1Al亞穩定β鈦合金,采用快速凝固粉末冶金工藝生產的Ti-8V-5Fe-1Al合金,其室溫抗拉強度為1480MPa,伸長率為8%。


    隨著現代航空飛行器對承力構件性能的要求越來越高,提高結構鈦合金性能已成為研究熱點,近年來,國內外致力于開發1400Mpa級以上的超高強β鈦合金[7]。本文所研究的一種Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb系合金是寶鈦集團有限公司自主研發的超高強度鈦合金,其Kβ穩定系數約1.33,鉬當量約14.2,屬于近β型鈦合金,棒材經固溶時效處理后的性能可達較高水平。


    2.試驗方法


    試驗在寶鈦集團有限公司生產線上完成,經真空自耗電弧爐3次熔煉后得到合金鑄錠,對鑄錠進行化學成分分析并測試相變點。塑性加工分別在3150t水壓機進行開坯鍛造,再到SXP精鍛機上進行精鍛,最后經橫列式軋機出Φ12.5mm×L熱軋棒材,并進行固溶時效處理。同時,試驗通過金相、力學、SEM、XRD、差熱分析等手段對合金不同加工狀態的組織性能進行分析測試。


    ......


    4.結論


    (1)鑄態合金的晶粒分布不勻,比較粗大,晶粒直徑大小約為1000~2000μm,且β晶內和晶界都有α相析出;經過鍛造,合金晶粒細化到100μm,α相主要沿β晶界針狀析出,β晶內分布明顯減少;再經熱軋后,晶粒進一步細化到20μm左右,合金為單相的β組織。


    (2)合金經精鍛后,棒材截面上的硬度分布較開坯鍛造時均勻,硬度值較開坯鍛造時的360HV有所提高,較鑄態的295HV顯著提高,達到380HV。


    (3)合金經熱軋后抗拉強度為RM=861MPa,延伸率為A=17.5%左右,經800℃∕30min.AC+460℃∕10h.AC固溶時效處理后,大量均勻細小的α相由β基體內析出,且以短片狀的形式互相平行或垂直分布其中。同時,合金性能達到RM=1509MPa,R0.2=1349MPa,A=7.84%的水平。


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