哈工大《JMST》：鈦合金剪切旋壓的工藝設(shè)計及組織性能演變

2022年1月11日 11:22
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旋壓是將金屬板坯轉(zhuǎn)變?yōu)榭招男螤畹囊环N金屬變形過程 。由于旋壓工藝具有成形力小、工裝簡單、材料利用率高、生產(chǎn)成本低、機械性能好等優(yōu)勢，旋壓工藝越來越多地應(yīng)用于航空、航天、武器、汽車等行業(yè)。Ti2AlNb合金錐體部件作為一種優(yōu)良的高溫用輕合金，可用于航空發(fā)動機進氣道等部位。典型的Ti2AlNb基合金由O相(Ti2AlNb,Cmcm對稱結(jié)構(gòu))、bcc B2相(有序Pm3m對稱結(jié)構(gòu))/β相(無序結(jié)構(gòu))和hcp α2相(Ti3Al, DO19 P63/mmc對稱結(jié)構(gòu))組成。Ti2AlNb基合金的使用溫度為600-750℃，與Ni基合金相近，但密度比Ni基高溫合金低1/3。然而，Ti2AlNb基合金在熱加工過程中，其相組成、晶粒形貌和晶粒尺寸的演變相當(dāng)復(fù)雜，Ti2AlNb基合金在室溫下的低延展性和較差的成形性限制了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。對于難變形材料軸對稱空心件，熱旋壓是提高其成形性能和力學(xué)性能的有效成形工藝，而Ti2AlNb合金的自旋成形迄今尚無文獻報道。
 
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員 探討了Ti2AlNb合金的多道次剪切旋壓工藝，并設(shè)計了三種熱處理方案調(diào)節(jié)組織和力學(xué)性能。 分析了Ti2AlNb基合金在剪切旋壓和熱處理過程中的組織演變及其對力學(xué)性能的影響。相關(guān)論文以題為“Process design and microstructure-property evolution during shear spinning of Ti2AlNb-based alloy”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.065

哈工大《JMST》：鈦合金剪切旋壓的工藝設(shè)計及組織性能演變的圖1

原料Ti2AlNb合金板材成分為Ti-22Al-24Nb-0.5Mo (at.%)，直徑為150mm。在950±30℃下進行旋壓實驗。采用三種不同的方案進行兩道次剪切旋壓和后處理，不同處理工藝如下所示。

表1 熱處理方案及顯微組織結(jié)構(gòu)
方案
熱處理工藝
顯微組織
H1
960℃/2h AC
B2+初生O+初生 α2
H2
960℃/2h AC+820℃/12h  FC
B2+初生O+針狀O+大量球化α2
H3
960℃/2h AC+850℃/12h  FC
B2+初生O+針狀O+大量球化α2
 
研究發(fā)現(xiàn)第一、二道次旋壓后(SP1和SP2)的顯微組織主要由B2+殘余α2相組成。SP1和SP2的B2相含量分別為95%和91%，SP1的B2相在第一道次旋壓后伸長至200μm，寬度為30μm，第二道次旋壓后進一步縮小至10μm。由于粗條狀B2相滑移邊界不足，SP1和SP2的延伸率分別從650℃時的18.3%降至8.9%和12.5%，而SP1和SP2工件的抗拉強度分別增加到1163 MPa和932MPa，高于650℃時的782 MPa。兩道次剪切旋壓B2相織構(gòu)演化為：<111>//ND→ <001> //ND&<111>//ND→<001>//ND，對應(yīng)于AR→SP1→SP2。


哈工大《JMST》：鈦合金剪切旋壓的工藝設(shè)計及組織性能演變的圖2圖 1 (a)剪切旋壓示意圖; (b) 2道次剪切旋壓過程示意圖; (c) Ti2AlNb合金剪切旋壓; (d)旋壓取樣位置示意圖
 

哈工大《JMST》：鈦合金剪切旋壓的工藝設(shè)計及組織性能演變的圖3

圖2 原始Ti2AlNb合金組織圖、BSE圖、TEM圖和衍射圖
 

哈工大《JMST》：鈦合金剪切旋壓的工藝設(shè)計及組織性能演變的圖4

圖 3 不同滑移系下RD中B2相的Schmid因素包括{110}<001>;{110}<111>; {112}<111>
 

哈工大《JMST》：鈦合金剪切旋壓的工藝設(shè)計及組織性能演變的圖5

圖 4 不同滑移體系下ND中B2相的Schmid因子包括{110}<001>;{110}<111>; {112}<111>
 
為了滿足后續(xù)道次剪切旋壓的要求，對SP1試樣進行了H3處理。在900℃時，SP1-H3的延伸率達到72.1%，組織為B2+粗大的初生O+針狀O+大量球化的α2相。根據(jù)使用要求，確定H1熱處理方案為960 ℃ /2h的優(yōu)化工藝，可使旋壓工件在650℃獲得良好的綜合力學(xué)性能，組織為B2+初生O+少量沿晶初生α2相。SP2-H1試件的抗彎強度和延伸率分別為934 MPa和15.1%。
 
由于初生件中存在大量粗大且轉(zhuǎn)變不充分的B2相，導(dǎo)致Ti2AlNb合金在高溫(>900℃)下的熱加工性能較差，難以實現(xiàn)不經(jīng)道次間熱處理的連續(xù)多道次剪切旋壓工藝。為了提高Ti2AlNb合金多道次旋壓工藝的可旋性，在多道次剪切旋壓過程中，應(yīng)采用960℃/2h+850℃/12h的H3方案作為道次間熱處理工藝 。本文為Ti2AlNb合金軸對稱空心件的熱成形和應(yīng)用提供了有效指導(dǎo)。（文：破風(fēng)）

 

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