添加微量硼對Ti-6Al-4V合金拉伸和疲勞性能的影響

2014-02-26 侯智敏 Materials Science and Engineer

  Ti-6Al-4V合金具有良好的強度、剛硬度、韌性及疲勞性能匹配,被廣泛應用于航空工業。然而,鑄態Ti-6Al-4V合金原始β晶粒較大,正常情況下有幾個毫米,需要多步熱加工才能使其鑄態組織破碎。近期研究表明,加入少量的B(約0.1%)可以使合金晶粒尺寸在凝固過程中從2 mm減小到200 μm,從而減少高能耗熱加工的步驟和時間。B的加入還可以減少楔形裂紋和空洞的形成,改善合金的室溫、高溫拉伸強度及疲勞性能。印度學者Gaurav Singh等人研究了添加微量B元素的Ti-6Al-4V合金的拉伸性能和疲勞性能。通過感應熔煉制備成分均勻的Ti-6Al-4V-xB(x=0、0.04、0.09)合金。鑄態合金在100 MPa下進行900 ℃×2 h熱等靜壓,然后在950 ℃(Ti-6Al-4V-0.04B合金的Tβ為1 010 ℃)沿厚度方向熱鍛,變形量為50%,應變速率為1 s-1,鍛后空冷。研究表明,熱加工后合金的顯微組織參數如原始β晶粒大小、α條束寬度、層片尺寸等,與鑄態相比沒有發生變化。這是由于熱加工溫度處在α+β兩相區,Ti-6Al-4V合金的α→β相變激活能較高,在高應變速率(1 s-1) 下未發生動態再結晶。熱加工后,Ti-6Al-4V合金形成了強烈的織構,Ti-6Al-4V-0.04B合金形成少量的織構,而Ti-6Al-4V-0.09B合金未形成織構,晶粒取向是完全隨機的。

  鍛態Ti-6Al-4V合金與鑄態相比,在方向的錐面滑移有更高的臨界剪切應力,因此有更高的屈服強度及抗拉強度。鍛態Ti-6Al-4V-0.04B合金和Ti-6Al-4V-0.09B合金的真應變失效值及屈服強度與鑄態相比沒有顯著差別。這是由于鍛造加工后合金晶粒大小及層片尺寸沒有明顯變化。添加B的Ti-6Al-4V合金中,形成的TiB粒子沿流變方向的有序排列,導致合金抗拉強度有微小的增加。疲勞試驗結果表明,鍛態合金與鑄態相比具有更好的疲勞性能,這是由于鍛造過程提高了抗拉強度并使鑄造時形成的空洞得以愈合。B元素的添加量為0.09%時,鑄態及鍛態合金的疲勞強度均顯著提高,然而添加量為0.04%時,合金的疲勞強度都有輕微減小,這可能是由于B導致的晶界α相體積分數增加。