南京工业大学JMST:TC4钛合金含铁组织的强韧化机理

Ti-6Al-4V(TC4)是钛合金中应用最广泛的一种,已应用于外科、航空航天、汽车、海洋等行业中,占钛合金总消耗量的75.85%。Ti-6Al-4V的广泛应用归功于其简单的化学成分和良好的成形性,以及较好的强度和延展性。人们已经做了大量的尝试,希望经济有效地提高Ti-6Al-4V的力学性能,同时保持高比强度。微合金化是一种简单可行的方法。B的加入能够促进形核,细化晶粒,提高强度、塑性和疲劳性能,但导致Ti-6Al-4V合金的断裂韧性较差。已有报道表明,Ti-6Al-4V中添加微量Fe可以改善浇铸性,降低变形时的流动应力,同时提高强度和断裂韧性,但是Fe对TC4组织性能的影响机制仍不明确。

南京工业大学的研究人员探讨了Fe对Ti-6Al-4V(TC4-xF)合金铸态经均匀化处理后的组织和力学性能的影响,揭示均匀化、热加工和时效处理合金中有利于屈服强度和断裂韧性的关键组织特征。相关论文以题为“Microstructural strengthening and toughening mechanisms in Fe-containing Ti-6Al-4V: A comparison between homogenization and aging treated states”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.04.063

本研究通过感应熔炼制备不同Fe含量的Ti-6Al-4V(TC4-xF,x为Fe含量),Fe含量为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 wt.%,凝固后进行800℃×3h均匀化处理(风冷)。研究发现添加铁后,原始β晶粒和团簇得到细化。TC4-0.9F合金的β晶粒尺寸和团簇尺寸最小。合金的质量守恒和元素在α和β相之间的重新分配导致α相分数降低,β相分数增加。随着铁含量的增加,α/β片层的宽度变粗。Fe的加入对TC4至TC4-0.5F合金的屈服强度和极限抗拉强度有明显的增强作用。TC4-0.7F和TC4-0.9F合金的强度保持较高,但有波动。固溶强化对屈服强度的贡献最大,其次是团簇细化。TC4-0.7F和TC4-0.9F的波动屈服强度受团簇大小和团簇分数之间的权衡影响。延伸率和断裂韧性随Fe含量的增加呈近似抛物线变化。TC4-0.5F的断裂韧性最大,这是由于裂纹扩展距离最长的α/β片层具有最高的裂纹扩展抗力。

图1 TC4和TC4- xF合金在均匀化处理状态下的力学性能

图2 TC4和TC4- xF合金均匀化后的光学组织

图3 TC4和TC4- xF合金的SEM图

(a)TC4, (b) TC4-0.1F, (c) TC4-0.3F, (d) TC4-0.5F, (e) TC4-0.4F, (f) TC4-0.9F

图4 TC4和TC4- xF合金均质处理后的裂纹扩展和裂纹附近的组织图

Fe的强化效果在热加工合金中最明显,其次是均匀化合金和水淬时效合金。在炉冷的TC4-0.5F中,由于退火时间的延长和冷却速度的降低导致了软化,强化效果不明显。在不同铁添加量的条件下,裂纹扩展路径类型与合金的断裂韧性密切相关,优于其他微观组织增韧因素。然而,对于化学成分不同、加工工艺不同的合金,高体积分数的宽α片层是提高断裂韧性的关键。

图5 总结了TC4和TC4- xF合金在不同热机加工条件下的力学性能

本文制备了含Fe的Ti-6Al-4V合金,并对其进行了均匀化热处理。采用不同的表征方法,研究了铁含量对合金组织特征和力学性能的影响。在微观力学模型的基础上,通过唯象分析,推出与屈服强度和断裂韧性相关的主要微观结构特征。将均匀化处理合金与热加工和时效处理合金的强化和增韧特性进行了比较。本文为航空航天工业用钛合金的铁元素强化/增韧作用提供了理论基础。(文:破风)

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