冷轧对高强Ti-B20合金组织与性能的影响*

冀宣名

(贵州大学 材料与冶金学院,贵州 贵阳 550025)

0 引言

β型钛合金因其比强度高、弹性模量低、耐腐蚀等优异性能在航空航天领域得以广泛应用,其发展程度已成为航空结构件发展的标准,大批学者对其加工成型、组织调控展开了一系列的研究[1-3]。冷变形是 β 型钛合金塑性成型的一种重要手段,在室温下,利用合金的塑性,使合金发生形状变化,以获得合适的性能和组织[4-5]。同时固溶处理后的 β 型钛合金其组织形貌一般为等轴的β 型晶粒,其在冷变形过程中会引入大量的位错、晶内剪切带甚至发生形变诱发相变,这些变形缺陷在合金中保存下来。

形变缺陷,可以降低相变驱动力,加速 β/α的转变,进而影响后续时效热处理过程中析出相的分布和形貌,对合金服役能力产生重要影响[6-7]。

Ti-B20合金是西北有色金属研究院根据航空航天特殊环境设计的一种新型高强β-钛合金,其时效处理后具有优异的抗拉强度,被认为是一种高强度结构钛合金[8-10]。Ti-B20是一种具有较大潜力的结构材料,但与之相关的现有研究主要集中在热处理、热变形对其组织和力学性能的影响,而其重加工方式冷轧却未见报道,因此,为优化其冷轧工艺,促进其开发应用,本文对固溶态的β型Ti-B20钛合金进行不同变形量的冷轧处理,研究了变形过程中组织与性能的变化。

1 实验材料及方法

本研究实验过程所采用材料为通过真空电弧炉熔炼制备的Ti-B20合金,熔炼后采用多级锻造方式成型,形状为棒材。使用电火花线切割机从轧制棒材上切取尺寸为210 mm×110 mm×12 mm的板材,然后根据课题组前期研究成果,采用中环1300 ℃箱式电阻炉对试样进行固溶处理,固溶温度为850 ℃,时间为1 h,随后进行水冷,其目的是消除锻造过程产生的应力,同时保证初始组织一致。固溶完成后,采用干湿两用金相砂纸对固溶板材表面进行打磨并清洁,然后室温下进行冷轧变形,其变形量分别为10%、30%、50%和70%。冷轧板材根据后续测试需求切成15 mm×10 mm、12 mm×7 mm的试样块备用,其厚度为冷轧成型后厚度。

为了对不同状态下的合金进行物相测试,依次采用从90目、320目、400目、800目、1000目、1500目、2000目的金相砂纸将试样测试面打磨光滑,然后进行超声清洗,保证表面平整且无油渍,最后吹干。采用Bruker D8 Advance 型X射线衍射(XRD)仪于Bragg-Brentano模式下进行物相分析,采用CuKα作为辐射源(λ=1.5406Å),工作电压为40 kV,工作电流为40 mA,步长为2°/min,选择衍射角范围在30°～90°之间,利用MDI-Jade6软件分析实验数据。为了获得冷轧变形过程中位错等数据,采用配备NordlysMax3电子背散射衍射分析系统(EBSD)的扫描电镜对试样进行EBSD数据采集,步长为1 μm。最后使用HVS-1000型数字式硬度计测量维氏硬度,采用金刚石压头施加500 g的力,持续15 s,为了保证实验数据的有效性和精确性,在每一次硬度测量前,在标准化的校准模块上进行硬度值校准。

2 实验结果与分析

2.1 固溶态Ti-B20合金的组织形貌

Ti-B20合金在850 ℃温度下保温1 h后的组织形貌和XRD图谱如图1所示。由图1(a)可知,经过固溶处理的Ti-B20合金显微组织主要为等轴β相晶粒,其平均尺寸约为 150 μm,同时,合金经固溶处理后获得了随机取向,没有形成明显的织构。对固溶态Ti-B20合金进行物相检测,其结果如图1(b)所示,XRD图谱中没有看到α相的衍射峰,只有典型的β相衍射峰,对应于(110),(200)和(211)。结果证明,固溶后Ti-B20合金只产生一个β相,这一结果可归因于V和Zr元素的加入,通常,当β型钛合金从单个β相区淬火时,会析出α相、α′相、α″相、ω相和β相,以增加β相的稳定性。对于Ti-B20合金,Mo和V是β相的稳定元素;因此,它们的存在增加了β相的稳定性。

图1 Ti-B20合金在850°C固溶1 h后的显微组织和XRD

2.2 Ti-B20合金冷轧过程 XRD 分析

图2为固溶态Ti-B20合金经过不同变形量冷轧处理后的XRD图谱。由图可知,经过冷轧处理后的Ti-B20合金,其微观形貌依然由单一β相组成,表明该合金在冷轧变形过程中表现出较高的相稳定性,未形成应变诱发马氏体或者发生其他相变。与标准钛合金衍射峰的位置相比,经过冷轧变形的试样,其β相衍射峰的位置均发生了一定程度的偏移,这主要是冷轧变形过程中产生了较大的应力集中,使得晶格常数发生了一定的变化。同时,β(200)和β(211)衍射峰的测试强度随冷轧变形量的增加而逐渐减小,而β(110)衍射峰测试强度随轧制变形量的增加而逐渐增大,这一现象表明该合金在冷轧过程中形成了较强的<110>方向织构。当轧制压下量从10%增加到70%时,β(110)、β(200)和β(211)对应的衍射峰半最大全宽(FWHM)逐渐变宽,这与较大的残余应力和晶粒细化有关,同时,FWHM可用于分析变形过程晶粒尺寸的变化[11-12]。

图2 Ti-B20合金在不同冷轧条件下的XRD图谱

2.3 Ti-B20合金冷轧板材形貌演化

一般来说,冷变形初期会在合金组织内部产生大量位错缺陷,随着变形量的增加,达到一定程度后,由于位错的增殖及滑移会导致合金形貌出现亚结构,起到细化组织的作用[13]。图3显示了 Ti-B20 合金经过不同变形量冷轧后的显微组织,由图3(a)可以看出,经过10%冷轧的 Ti-B20 合金,固溶处理过程形成的晶界基本未发生变形,只有部分晶粒内部可以观察到少量的滑移带,可以判断在合金变形初期,其主要是通过晶粒内部的滑移实现的。图3(b)为30%冷轧变形试样的显微组织,观察发现除了晶粒内部的滑移带有所增多外,固溶处理形成的原始晶粒也发生了轻微的拉长形变,表明合金在经历30%冷轧时,形变为位错滑移和晶界滑动共同协调作用的结果。随着变形量的增加,合金的内部缺陷密度不断提高,合金经历50%的冷轧变形后,原始β晶粒在冷变形方向上明显被压扁,同时少量晶粒开始产生破碎现象,表明合金变形已经由位错滑移和原始晶界拉长变形转变为原始晶粒破碎和穿晶剪切带变形的方式。当变形量增加至70%时,由于强烈的塑性变形,合金呈现出明显的纤维状条状组织(图3(d)),同时存在明显的位错滑移以及相互缠结的现象,大量位错胞开始出现,并形成了更细小的晶粒,通过金相观察已经较难分辨原始晶粒的形貌。

图3 冷轧Ti-B20钛合金试样在不同变形条件下的显微组织(条带对比图)

2.4 冷轧变形量对合金板材显微硬度的影响

图4显示了固溶态Ti-B20在室温下经历不同变形量后的显微硬度。由图可知,在冷轧变形过程中,随着下压量的增加,合金的显微硬度得到明显增加,这是由于加工硬化引起的。合金在冷轧变形过程中形成的亚晶的形态、位错密度以及结构缺陷密度都影响加工硬化效果,但位错的密度处于主导地位,可以认为冷轧变形期间的加工硬化的实质就是冷轧变形过程中位错密度的增加及其相互间的复杂相互作用。

图4 冷轧试样在不同变形量下的硬度变化规律

在合金的冷变形过程中,随着变形量的增加,晶粒沿轧制方向被拉长,同时形成了一定量的滑移带,单位面积的界面增加,位错的滑移运动受到限制,导致变形抗力增加。同时,随着位错滑移的受限,位错不断的晶粒内部塞积,导致单位面积的位错密度增加,位错运动过程中相互交割的概率增加,进一步增加了变形抗力,从而导致合金的强度不断增加。为了对变形过程位错密度的变化进行直观的分析,根据EBSD数据计算了冷轧过程中位错密度的变化(图5)。由图5可知,随着冷轧变形量的增加,位错密度由0.65×1014增加到2.5×1014,增加了约400%。位错密度的快速增加,有效提高了Ti-B20合金的强度。

图5 冷轧试样在不同变形量下的几何必要位错密度

3 结论

对固溶态Ti-B20进行了不同变形量的冷轧变形,研究了变形对合金组织与性能的影响,结论如下。

1)Ti-B20合金在冷轧过程中表现出较强的相稳定性,没有发生相变。

2)当变形量较小时,等轴晶粒沿轧制方向被拉长,变形以位错运动、增殖以及条带滑移为主;变形量较大时,出现较多的滑移带,变形机制转变为以晶粒(或局部区域)扭转和剪切带为主。

3)随着冷轧变形程度的增加,导致位错密度显著增加,加工硬化现象明显。