钛合金的屈服应力：钛合金剪切旋压的工艺设计及组织性能演变
钛合金的屈服应力：钛合金剪切旋压的工艺设计及组织性能演变显微组织热处理工艺原料Ti2AlNb合金板材成分为Ti-22Al-24Nb-0.5Mo (at.%)，直径为150mm。在950±30℃下进行旋压实验。采用三种不同的方案进行两道次剪切旋压和后处理，不同处理工艺如下所示。表1 热处理方案及显微组织结构方案
旋压是将金属板坯转变为空心形状的一种金属变形过程。由于旋压工艺具有成形力小、工装简单、材料利用率高、生产成本低、机械性能好等优势，旋压工艺越来越多地应用于航空、航天、武器、汽车等行业。Ti2AlNb合金锥体部件作为一种优良的高温用轻合金，可用于航空发动机进气道等部位。典型的Ti2AlNb基合金由O相(Ti2AlNb Cmcm对称结构)、bcc B2相(有序Pm3m对称结构)/β相(无序结构)和hcp α2相(Ti3Al DO19 P63/mmc对称结构)组成。Ti2AlNb基合金的使用温度为600-750℃，与Ni基合金相近，但密度比Ni基高温合金低1/3。然而，Ti2AlNb基合金在热加工过程中，其相组成、晶粒形貌和晶粒尺寸的演变相当复杂，Ti2AlNb基合金在室温下的低延展性和较差的成形性限制了其在工业上的广泛应用。对于难变形材料轴对称空心件，热旋压是提高其成形性能和力学性能的有效成形工艺，而Ti2AlNb合金的自旋成形迄今尚无文献报道。
哈尔滨工业大学的研究人员探讨了Ti2AlNb合金的多道次剪切旋压工艺，并设计了三种热处理方案调节组织和力学性能。分析了Ti2AlNb基合金在剪切旋压和热处理过程中的组织演变及其对力学性能的影响。相关论文以题为“Process design and microstructure-property evolution during shear spinning of Ti2AlNb-based alloy”发表在Journal of Materials Science & Technology。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.065
原料Ti2AlNb合金板材成分为Ti-22Al-24Nb-0.5Mo (at.%)，直径为150mm。在950±30℃下进行旋压实验。采用三种不同的方案进行两道次剪切旋压和后处理，不同处理工艺如下所示。
表1 热处理方案及显微组织结构
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方案 |
热处理工艺 |
显微组织 |
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H1 |
960℃/2h AC |
B2 初生O 初生α2 |
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H2 |
960℃/2h AC 820℃/12h FC |
B2 初生O 针状O 大量球化α2 |
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H3 |
960℃/2h AC 850℃/12h FC |
B2 初生O 针状O 大量球化α2 |
研究发现第一、二道次旋压后(SP1和SP2)的显微组织主要由B2 残余α2相组成。SP1和SP2的B2相含量分别为95%和91%，SP1的B2相在第一道次旋压后伸长至200μm，宽度为30μm，第二道次旋压后进一步缩小至10μm。由于粗条状B2相滑移边界不足，SP1和SP2的延伸率分别从650℃时的18.3%降至8.9%和12.5%，而SP1和SP2工件的抗拉强度分别增加到1163 MPa和932MPa，高于650℃时的782 MPa。两道次剪切旋压B2相织构演化为：<111>//ND→<001>//ND&<111>//ND→<001>//ND，对应于AR→SP1→SP2。
图
1 (a)剪切旋压示意图; (b) 2道次剪切旋压过程示意图; (c) Ti2AlNb合金剪切旋压; (d)旋压取样位置示意图
图2 原始Ti2AlNb合金组织图、BSE图、TEM图和衍射图
图3 不同滑移系下RD中B2相的Schmid因素包括{110}<001>;{110}<111>; {112}<111>
图4 不同滑移体系下ND中B2相的Schmid因子包括{110}<001>;{110}<111>; {112}<111>
为了满足后续道次剪切旋压的要求，对SP1试样进行了H3处理。在900℃时，SP1-H3的延伸率达到72.1%，组织为B2 粗大的初生O 针状O 大量球化的α2相。根据使用要求，确定H1热处理方案为960℃/2h的优化工艺，可使旋压工件在650℃获得良好的综合力学性能，组织为B2 初生O 少量沿晶初生α2相。SP2-H1试件的抗弯强度和延伸率分别为934 MPa和15.1%。
由于初生件中存在大量粗大且转变不充分的B2相，导致Ti2AlNb合金在高温(>900℃)下的热加工性能较差，难以实现不经道次间热处理的连续多道次剪切旋压工艺。为了提高Ti2AlNb合金多道次旋压工艺的可旋性，在多道次剪切旋压过程中，应采用960℃/2h 850℃/12h的H3方案作为道次间热处理工艺。本文为Ti2AlNb合金轴对称空心件的热成形和应用提供了有效指导。（文：破风）
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