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热处理对Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织及性能的影响

2023-07-30 来源:飒榕旅游知识分享网
西安工程大学学报

总1 第33卷第4期(58期)

JournalofXi'anPoltechnicUniversityy

2019年08月

()Vol.33,No.4Sum.No.158

):/文章编号:1674-649X(201904-0446-06 DOI10.13338i.ssn.1674-649x.2019.04.015j

开放科学(资源服务)

)标识码(OSID

热处理对Ti-22Al-25Nb-2V合金

显微组织及性能的影响

()西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安7西安工程大学材料工程学院,陕西西安71.10048;2.10048

2

,胡新煜1,张娇娇2,王俊勃2,李笑然2,赵 康1,黄 晟2,司鹏伟2

在7测试合金的显微硬度、相22Al-25Nb-2V合金,1100℃固溶处理后,00~850℃进行时效处理,

对密度和压缩强度等物理性能,并对合金微观形貌进行观察分析。结果表明:固溶处理合金显微组/织由大量β提高了相的转变温度、增加了合金的β相稳定B2相和少量αV元素的添加,2相组成;性并促进了O相的形成,使时效处理过程中O相从基体B形成三相组织;随时效温度的2相析出,增加,合金的相对密度和显微硬度降低,压缩强度和屈服强度先降低后升高。700℃时效处理合金塑性与硬度均达到最高,800℃时效处理合金压缩强度和屈服强度最低,850℃时效处理合金硬度最低为316HV。

关键词:粉末冶金;时效处理;力学性能Ti-22Al-25Nb-2V合金;O相;中图分类号:TG11;V256 文献标志码:A

摘要:为研究热处理对T采用粉末冶金法制备Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织及性能的影响,i-

Effectofheattreatmentonmicrostructureandproertiesp

ofTi-22Al-25Nb-2Valloy

,22

,,HUXinu12,ZHANGJiaoiaoWANGJunboLIXiaoran2,yj122

ZHAOKanHUANGShenSIPenweig,g,g(,,;1.SchoolofMaterialsScienceandScienceandEnineerinXi'anUniversitfTechnoloXi'an710048Chinaggyogy,

,,)2.SchoolofMaterialEnineerinXi'anPoltechnicUniversitXi'an710048,Chinaggyy

:AbstractInordertoexloretheeffectofheattreatmentonthemicrostructureandproertiesofpp

收稿日期:2019-04-10

)陕西省教育厅重点研发计划项目( 基金项目:2018GY-110

,:胡新煜(男,西安理工大学博士生,研究方向为钛合金的制备及工艺。E 通信作者:1982—)-mail279699782@q.comq

]胡新煜,张娇娇,王俊勃,等.热处理对T西安工程大学学报, 引文格式:i-22Al-25Nb-2V合金显微组织及性能的影响[J.

():2019,334446-451.,,, HUXinuZHANGJiaoiaoWANGJunboetal.Effectofheattreatmentonmicrostructureandproertiesofyjp

[],():Ti-22Al-25Nb-2ValloJ.JournalofXi'anPoltechnicUniversit2019,334446-451.yyy

第4期 胡新煜,等:热处理对Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织及性能的影响447

,roertiessuchasmicrohardnessrelativedensitndcomressivestrenthofthealloereppyapgyw

,testedandthemicrostructureofthealloasobservedandanalzed.Theresultsshowthattheywy

,Ti-22Al-25Nb-2ValloTi-22Al-25Nb-2Valloasprearedbowdermetallurethod.Af-yywpypgym

tersolutiontreatmentat1100℃,ainreatmentwascarriedoutat700~850℃.Thephsicalggty/microstructureofthesolutiontreatedalloonsistsofalarenumberofB2phasesandasmallycgβ

;,amountofαhasestheadditionofVelementincreasesthephasetransitiontemeratureandp2p,,aintemeratureincreasestherelativedensitndmicrohardnessofthealloecreaseandtheggpyayd

theβphasestabilitftheallondpromotestheformationofOphase.Durinheainreat-yoyagtggt

,menttheOphasepreciitatesfromthematrixB2phasetoformathree-hasestructure.Astheppcomressivestrenthandyieldstrenthdecreasefirstandthenincrease.Theplasticitndhard-pggya

,nessoftheallot700℃ainreatmentarethehihestthecomressivestrenthandyieldyaggtgpg

0 引 言

strenthoftheallorethelowestat800℃,andthehardnessoftheallot850℃is316HV.gyaya

:;;Op;KeordsTi-22Al-25Nb-2V;owdermetallurainreatmenthaseerformancepgyggtpywTilNb基合金由于具有较好的高温蠕变性2A

山东淄博1.1.2 仪器 2BV系列水环式真空泵(

,有限公司)常熟市双杰测试仪A1104型电子天平(

能、抗磁性能、高比强度以及优良的室温塑性等优点,成为600~750℃使用的最具有潜力的航天航空

1-3]

。目前,飞行器发动机材料之一[采用真空自耗熔4-6]

炼法[制备的TilNb基合金较为常见且工艺较2A

,上海久盈机械厂)2000P型压力机(GWL-KQGA-3

型真空反应烧结炉(洛阳市涧西区国炬试验电炉,厂)昆山市超声仪器有KQ3200E型超声波清洗仪(,限公司)北京瑞宏LeicaDM4000M型光学显微镜((,郑州华银试验仪器有限公司)Instron5500R型电,子万能拉伸试验机(山东德瑞克仪器有限公司)烧杯,坩埚若干等。1.2 方法

1.2.1 Ti-22Al-25Nb-2V合金的制备 采用粉末冶

]18

,金法[按一定比例在真空手套箱中称取钛粉、铝)。将混合粉末放粉、铌粉和钒粉(其合金成分见表1,,入高速摆振球磨机中球磨4h球料比为5∶1转速/。将制得的混合粉末在真空条件下放入为190rmin

模具,1200MPa保压10min压制成坯。在真空反应Ti-22Al-25Nb-2V合金。Ti-22Al-25Nb-2V合金在真空11随后分别选取温00℃固溶处理1.5h后油冷,/度为700℃,750℃,800℃和850℃在βB2相区对合金进行真空时效处理12h后空冷。升温速率为,,在6制得30℃预烧处理4h1000℃反应烧结1.5h,诚科技发展有限公司)MH-3型数字式显微硬度计

,,器厂)玛瑙研钵(凌源博华玛瑙制品厂)WAW-

为成熟,但是存在宏观偏析现象难以控制,预合金原

7-11]

材料制备成本高、浪费大等缺点。粉末冶金法[

制备的TilNb合金可避免传统铸造中宏观成分2A偏析和微观组织不均匀等问题,得到组织更加均匀、性能更加稳定的合金或构件坯料。

12-13]

目前,研究者多通过改变合金的成分[和采]14-15

用热处理工艺[改变相及显微组织来提高

TilNb基合金的服役性能。但TilNb基合金2A2A属于三元体系,在不同的热加工工艺下,相变关系极为复杂,微观组织和力学性能随热处理工艺的变化

16-17]

,非常敏感[因此,探究热处理工艺与TilNb2A

基合金的显微组织和力学性能的关系尤为迫切。文

中以粉末冶金法制备T并使i-22Al-25Nb-2V合金,用不同的热处理工艺处理合金,通过观察、分析热处理前后合金的微观形貌及显微硬度、相对密度和压缩强度等物理性能,探讨Ti-22Al-25Nb-2V合金塑性与强度相匹配的热处理途径。

烧结炉中,将真空冷压坯200℃去应力退火2h后,

1 实 验

/,氮气保护。合金制备流程如图1所示。10℃min

图中冷压坯中各元素粉末经烧结后产生不同相组织,最终经过热处理工艺得到室温相。

表1 T原子分数/%)ilNb合金的化学成分(2ATable1 ChemicalcomositionofTi-22Al-p

Al

Nb

V

Ti

(/%)25Nb-2Valloatomicpercenty

25.1

2.0

Bal.

1.1 原料与仪器

纯度9粒度41.1.1 原料 钛粉(9.98%,4~

,,铝粉(纯度9粒度1~2μ铌粉47μm)9.96%、m)(,纯度9粒度1~2μ钒粉(纯度为9.90%、m)

。实验原料均选取上粒度为499.58%、5~49μm)海阿拉丁公司生产的单质粉体。

21.7

448

西安工程大学学报

第33卷

2.2 时效处理温度对合金显微组织的影响

产物的显微25Nb-2V合金进行不同温度时效处理,含量大于15%原子分数时,B2相可经过中间过渡/中相的转变与公式(有所不同,没有形成β1)B2单相稳定元素,本实验采用V元素代替了部分Nb元素,增加了T致i-22Al-25Nb-2V合金的β相稳定性,对1100℃固溶处理1.5h后的Ti-22Al-

[]21

组织图如图3所示。B得出,当Nenderskby等

图1 Ti-22Al-25Nb-2V合金制备路线示意图Fi.1Schematicdiaramoftheprearationggp

routeofTi-22Al-25Nb-2Valloy

时效处理过程B19相转变为O相。由图3可以看出,相组织。这可能是因为V元素和Nb元素同属于β1.2.2 测试与表征 采用LeicaDM4000M型光学显微镜对T采i-2用2Ai-22Al-25Nb-2VMHl-25合-3Nb型-2数V合金的显微组织形貌进行观察;字式显微硬度计测试金的硬度;

采用阿基米德排水法测量500R型电子万能拉伸试验机对Ti-22Al-25Nb-2V合金的密度;采用Ti-22Al-25InNsbt-r2oV

n合金进行室温压缩试验。

结果与分析

.1 固溶处理对合金显微组织的影响

由体系

合金变温垂直截面相图得知Boehlert[19]

绘出的T,i-22Al-xNb三元相组织转变过程为Nb含量在27%时,其O相630℃

→(0℃

2相

1010℃

1070℃

→(α+β

/B2+O)图5Nb-2V2→为αβ

/(B未经固/2+O)相962+β

B溶2)处相理和固→溶β

/处B2相(理的合金显微组织图。由图2(a)可T以i-2看2出A1l-

)i-22Al-25Nb-2V合金的显微组织由α,/B22相、

基体组成,αO相和2相与基体又有部分界面紧挨此依附的(O相,这就形成了交叉共B2相通过界面连接,存、彼[α2+β

/B2+O)相合金组织,这与文献可以看出20]通过热等静压工艺所,1100℃固溶处理得结1.果5h一后致,。相组织由三由图2(b)相变为两相,显微组织由大量这可能是因为在加热条件下β/B2相和少量,α2相组成。i3界面以及lAl和N通过BO相中的元素分散为T、核固溶在基体αAb元素,2相与2相与O相的界面进行扩散,使O相的O相晶2相。这种现象与

公式(1)中相变B2相中或转变为基本一致,但相的α高,这可能是因为V元素的添加提高了转变温O度相转变为有所升2相或α2相的转变温度。

使该反应在升温过程中反应较慢,失。V元素又对O相的形成具有促进作用α2相没有全部消

,致使相从基体O

度的升高,B基体2相中析出,形成了三相组织,且随着温B2相与O相界面间的扩散速率加快,O相的厚度也随之逐渐增加。

(a)图未固溶处理 (b

)固溶处理Fig.2M2ic Trosit-r2u2ctAul-r2e5oNfTb-i2-2V合金显微组织

2Al-25Nb-2Valloy

(a)700℃ (b)750℃

图(3c) 8不同温度时效处理00℃ Ti-22A(dl-)2585N0b-2℃

合金显微组织

V

Fig.3tMreicartoesdbtruyctduifrfeeroefTntit-e2m2p

Ael-r2at5uNreb-s2Valloy

分析固溶处理和时效处理后的粉末冶金Ti-22Al-25Nb-2V合金微观组织,可得出热处理

T5222β

BT第4期 胡新煜,等:热处理对Ti-22Al-25Nb-2V合金显微组织及性能的影响4所示。

Ti-22Al-25Nb-2V合金的相组织转变示意图,如图

2.4 时效处理温度对合金显微硬度的影响

449

/的滑移系较多,为塑性相;B2相(BCC)α2相β

(独立滑移系少,塑性差,为脆性相;HCP)O相具有

25Nb-2V合金显微硬度与时效处理温度的关系图。由表3可看出,随着时效温度的增加,Ti-22Al-

]22

。表3为T对称的有序正交晶体结构[i-22Al-

图4 热处理相组织转变示意图

Ti-22Al-25Nb-2V合金

Fig.4SchemraetaitcedTdiag

ir-a22moAl-f2p5hNabs-e2tVaranlsliotiy

onof.3 时效处理温度对合金相对密度的影响

heatt为研究时效处理是否对零件的尺寸有影响,测

试时效处理后合金的相对密度。表5Nb-2V合金相对密度与时效处理2为温度T关i-系22图Al-

。由表2可看出,与反应烧结i-22Al-25N8b2-2%相比,随着T时i-2效2处Al-理25温Nb度-2的V合金的相对密度增加,较小。这可能是V合金的相对密度略有降低但改变因为在高温反应烧结过程中,2Al-25Nb-2V合金内部已经形成了骨架结构,

Ti但-却仍然存在着大量的骨架结构在时效处理温度升高的过程中会阻碍Nb元素颗粒没有熔化,

这种元素的流动。而且,在时效处理过程中Ti-22ANlb5Nb-2V合金内部可能存在着少量的气泡,气泡会-受到合金表面的作用力而附着在骨架表壁,难以从合金内部逸出,致使度提高困难且略有降低Ti-2。

2Al-25Nb-2V合金的致密表2 Ti-22Al-25Nb-2V合金相对密度与时效

处理温度的关系

Table2 RteemlaptieornatsuhriepobfTetwi-e2e2nArle-l2at5ivNeb-d2eVansitllyoay

ndaging

时效处理温度/℃7708

07756

08707

0875相对密度/%

9

02加快5Nb-。

2V合金的显微硬度降低,且减小的速度逐渐时效处理温度为。这可能是因为在700℃时,合金的显微硬度最大合金的α702相含量减少,/0B2℃时相含量增加Ti-22Al-,2且随着保5Nb-2V温时间的增加,基体相与析出β/β

B2相析出了O相。由于基体B2但晶体结构又,致使晶体产生了共格的弹性畸变O相的相容性极好,不相同,阻碍了合

金的塑性变形,提高了合金硬度。

时效处理温度为小。这可能是因为V8元素的添加促进了50℃时,

合金的显微硬度最成,随着时效温度的增加,O相长大长粗,基体O相的形相与析出β/B2

破坏,时效强化的作用明显减小O相产生的弹性共格畸变因达到饱和而被,降低了合金硬度。

表3 Ti-22Al-25Nb-2V合金显微硬度与时效

处理温度的关系

Table3 RteemlaptieornatsuhriepobfTetwi-e2e2nmAl-i2cr5oNhba-r2dVaneslsloay

ndaging

时效处理温度/℃7显微硬度/HV

40809

745605

840007

835106

2.5 时效处理温度对合金压缩性能的影响

图处理温度关系图5是Ti-22。A由图l-25Nb-2V合金力-

位移与时效高,屈服强度先降低后升高Ti-22Al-255可以看出,随着时效处理温度的升。Nb时效处理温度为-2V合金的压缩强度和750℃,当压缩位移在0.2~0.7mm时,α700℃和

2相含量减少,处理温度为β/B2相含量增多,力与位移的比值稳定;时效β

/B2相含量较多导致合金的塑性较好800℃,当压缩位移在0~0,.压缩力直线2mm时,增大。当压缩位移在0.3~0.7mm时,/时效处理温度为O相相互作用,出现了受力反复回弹的B2相与析出β

现象;时,压缩力基本不变850。℃当压缩位移达到,当压缩位移在10.~4mm0.4mm时,

O相晶粒长大长粗,

阻碍了合金变形,发生了压缩破22T22450

西安工程大学学报

第33卷

坏,出现了合金塑性变形后抵抗压缩变形的现象。

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turesandmechanicalproertiesofTi-22Al-25Nballopy

图5 T与时效处理温度的关系

i-22Al-25Nb-2V合金力-位移Fig.5aRgeilantgiotnesmhipperbaettuwreeenofTforci-e2-d2isAp

l-la2c5eNmbe-n2tVaanddlloiy

fferent 结(1) 论

合金显微组织由三相变为两相1100℃固溶处理1.5,h主要由大量的,Ti-22Al-25Nb-2V

相和少量α/2相组成,过程中O相转变为BV元素的添加提高了固溶处理βB22相或α2相的转变温度。

金的(β2)相稳定性V元素的添加增加了,致使时效处理反应较慢Ti-22Al-25;N促进了b-2V合

相的形成,使时效处理过程中O析出,形成了三相组织,且随着温度的升高O相从基体,B基体2相中相与O相界面间的扩散速率加快,O相的厚度也随B2

之逐渐增加。

V合金的相对密度略有降低但改变较小(3)随着时效处理温度的增加,Ti-22;A显微硬度l-25Nb-

降低,且减小的速度逐渐加快;压缩强度和屈服强度先降低后升高,50℃时效处理硬度最低为007℃00时℃时效处理合金硬度和塑性均达到最大,8效处理压缩强度和屈服强度最低,8316HV。参考文献(References

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