Процесс термообработки титанового сплава Ti6246
Титановые сплавы и закономерности зарождения и распространения усталостных трещин после сварки. В данной статье обобщены химический состав и классификация титановых сплавов, а также распространенные методы сварки, с акцентом на характеристики и преимущества диффузионной сварки. Описано образование полос скольжения и движение дислокаций при циклической нагрузке, объяснен механизм зарождения усталостных трещин. Выбор микроструктуры титановых сплавов является распространенным методом оптимизации механических свойств. Существующие исследования показывают, что получение слоистых структур является важным средством контроля скорости распространения усталостных трещин в титановых сплавах. Неправильные параметры процесса сварки могут привести к образованию дефектов соединения; последующая термообработка может уменьшить дефекты соединения и улучшить усталостную долговечность и усталостную прочность сварных деталей. Наконец, кратко описана возможность использования диффузионной сварки для получения многослойных и разнородных титановых сплавов с высокой устойчивостью к повреждениям в деталях.
Термическая обработка и старение являются важными процессами при горячей обработке титановых сплавов, а также одним из основных способов улучшения микроструктуры сплава и повышения его механических свойств. Термическая обработка подразумевает нагрев сплава до соответствующей температуры, выдержку при этой температуре в течение достаточного времени для растворения определенных компонентов сплава в матрице, а затем быстрое охлаждение до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. Растворение составляющих материалов и получение пересыщенных твердых растворов являются двумя важными факторами. Температуры термической обработки для широко используемых титановых сплавов обычно находятся в двухфазной области (α+β) или однофазной области β. Основные изменения в микроструктуре заключаются в растворении низкотемпературно стабильной α-фазы, перераспределении легирующих элементов и росте исходных зерен β. Скорость охлаждения и содержание легирующих элементов влияют на фазовый состав в микроструктуре при комнатной температуре; Высокотемпературная β-фаза может трансформироваться в метастабильные фазы, такие как α′-мартенсит, α′′-мартенсит и ω-фаза. Термическая обработка (старение) — это процесс термической обработки, при котором сплав после обработки раствором с последующим высокотемпературным закаливанием или определенной степенью холодной деформации помещают при относительно высокой температуре или комнатной температуре для сохранения его формы и размеров, а его свойства изменяются со временем. Термическая обработка обычно проводится в двухфазной области α+β, преобразуя метастабильную фазу, полученную после обработки раствором, во вторичные α- и β-фазы для улучшения механических свойств материала.
Сплав Ti6426 — это высокопрочный высокотемпературный титановый сплав с высоким содержанием Mo, разработанный компанией Pratt & Whitney [5, 6], с номинальным составом Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (%). Этот сплав в основном используется в термообработанном состоянии после ковки и, как правило, применяется для компонентов газотурбинных двигателей, работающих при средних температурах, с длительной рабочей температурой около 400℃ и кратковременной рабочей температурой до 540℃. Термообработанный сплав Ti6426 обладает высокой прочностью, высокой пластичностью и превосходной трещиностойкостью, демонстрируя преимущества, недостижимые для других сплавов в его диапазоне рабочих температур. Он широко используется в производстве таких компонентов, как лопатки и компрессорные диски для авиационных двигателей. Поскольку к свойствам материалов компонентов авиационных двигателей предъявляются очень жесткие требования, требующие хорошего баланса между прочностью, пластичностью, ползучестью и усталостной прочностью, этот сплав в настоящее время все еще находится на стадии исследований и разработок. Поэтому изучение процессов горячей обработки и термообработки сплава Ti64246, контроль его микроструктуры и согласование его механических свойств чрезвычайно важны.
Быстрое охлаждение сплава Ti6246 после обработки раствором приводит к образованию метастабильной фазы, однако конкретные продукты этой метастабильной фазы остаются предметом споров [2,3,6,13,14]. Традиционно считается, что сплав Ti6246 с [Mo]экв. равным 6 должен при быстром охлаждении из β-однофазной области образовывать α'' мартенсит. Также считается, что сплав Ti6246, охлажденный из β-однофазной области с достаточно высокой скоростью, образует метастабильную β-фазу без мартенситного превращения, а появление мартенсита искусственно индуцируется в процессе обычной подготовки образцов. В данной работе исследуется эволюция микроструктуры, фазовый состав и их влияние на механические свойства сплава Ti6246 при различных режимах термической обработки.
В качестве исходных материалов для приготовления экспериментального сплава Ti6246 использовались губчатый титан, алюминиевые брикеты, сплавы Ti-Al-Mo, Ti-Sn и губчатый цирконий, а также другие промежуточные сплавы. Эти сплавы были приготовлены партиями, равномерно перемешаны и спрессованы в электроды. Для получения слитков диаметром 220 мм использовались три процесса вакуумной дуговой плавки с использованием расплава. Химический состав приведен в таблице 1. Температура β-фазового превращения стержня была определена металлографическим методом и составила 935℃. Слиток сначала ковали до диаметра 140 мм в однофазной β-области, а затем в три прохода ковали в двухфазной (α+β) области до диаметра 30 мм. Стержни подвергали термической обработке при 900℃, 920℃ и 950℃ в течение 1 часа каждый; после термической обработки их охлаждали как воздушным охлаждением (AC), так и закалкой в воде (WQ). Режим старения (AG) после термической обработки составлял 595℃ в течение 8 часов с последующим воздушным охлаждением. Металлографические образцы были механически отшлифованы и отполированы, затем протравлены реактивом Кролла, а их микроструктура исследована под оптическим микроскопом и сканирующим электронным микроскопом. Образцы для рентгенодифракционного анализа были отшлифованы наждачной бумагой SiC 2000 и использованы непосредственно для измерений. Стандартные образцы диаметром 5 мм были обработаны в соответствии с национальными стандартами и испытаны на механической испытательной машине в соответствии с национальными стандартами.
Микроструктура стержней, обработанных раствором при 920℃, оставалась типичной биморфной структурой; однако из-за повышения температуры обработки раствором объемная доля первичной α-фазы уменьшилась примерно до 6%. Не наблюдалось существенной разницы между микроструктурой закаленных в воде зерен после обработки раствором при 920℃ и микроструктурой закаленных в воде зерен после обработки раствором при 900℃ в пределах исходных β-зерен, и не наблюдалось осаждения вторичной α-фазы. Однако в микроструктуре, охлажденной на воздухе после обработки раствором при 920℃, пластинчатая вторичная α-фаза, осажденная внутри исходных β-зерен, была более выражена. После старения при 595℃ во всех образцах, обработанных раствором при 920℃, выпало большое количество вторичной α-фазы, а объемная доля и размер вторичной α-фазы в микроструктуре, охлажденной на воздухе после обработки раствором, были значительно выше и больше, чем до старения. В исходных β-зернах образцов, охлажденных на воздухе после обработки раствором, ширина пластин вторичной α-фазы была значительно больше, чем у образцов, закаленных в воде после обработки раствором.