大規(guī)格TZM鉬合金鍛造棒材性能研究

淡新國(guó)，黃先明，郭讓民，侯軍濤，丁 旭

(1.西安瑞福萊鎢鉬有限公司，陜西寶雞 721014)

(2.西部金屬材料股份有限公司，陜西西安 710201)

0 引言

TZM合金是一種固溶強(qiáng)化和顆粒強(qiáng)化型鉬合金。在該合金中由于Mo-Ti固溶和彌散TiC顆粒的共同作用，使合金在1 400℃以上都具有較高的強(qiáng)度。與純鉬相比，TZM具有如下優(yōu)點(diǎn)［1-3］:再結(jié)晶溫度更高，抗蠕變性能、耐熱性能及焊接性能更好。目前，TZM合金主要用于以下幾個(gè)方面:(a)做熱等靜壓爐，燒結(jié)爐和熱處理爐部件材料;(b)醫(yī)療診斷設(shè)備中用的旋轉(zhuǎn)電極材料;(c)退火和燒結(jié)用舟皿材料(＞1 400°C);(d)熱注塑成型用沖頭材料等;(e)輕合金鑄造用的模具材料;(f)壓力鍛造用坯料等。

目前，醫(yī)療診斷設(shè)備中用的TZM合金棒材直徑較大，它是所有X射線(xiàn)影像的信號(hào)源的核心部件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療診斷設(shè)備中［4-5］。與普通加工棒材比較，其性能指標(biāo)要求較高，且其生產(chǎn)特點(diǎn)是采取的坯料直徑較大(大于φ120 mm)，單重大，產(chǎn)品鍛造加工難度大。目前，國(guó)外廠(chǎng)家普遍采用自動(dòng)化程度較高的精鍛機(jī)加工生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度高。而國(guó)內(nèi)鉬加工普遍采用的是自由鍛造方法，且尚無(wú)廠(chǎng)家能批量生產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品。為此，本實(shí)驗(yàn)采用自由鍛造方法開(kāi)展了大規(guī)格棒材試制，并對(duì)鍛造后的大直徑的TZM鉬合金棒材組織和性能進(jìn)行了研究。

1 試樣制備及檢測(cè)

試驗(yàn)用的TZM棒材采用自由鍛造方法生產(chǎn)。鍛造過(guò)程采用的坯料直徑為180 mm，密度為9.80 g/cm3，化學(xué)成分如表1所示。自由鍛造設(shè)備采用3 t電液錘，采用氫氣鉬絲爐加熱，鍛造溫度為1 000～1 300℃。鍛造后，對(duì)加工棒材在1 100℃下保溫1 h進(jìn)行退火。

表1 合金成分要求

為研究鍛造后棒材的加工性能，試驗(yàn)制備了總加工率分別為60%(1#)，70%(2#)和80%(3#)的3種棒材，然后取樣，對(duì)3種材料的密度、金相、硬度和拉伸檢測(cè)，并對(duì)拉伸后斷裂行為進(jìn)行了檢測(cè)和分析。其中，密度檢測(cè)方法依據(jù)阿基米德原理，采用GB/T3850方法進(jìn)行。金相檢測(cè)采用PMG金相顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。硬度測(cè)試采用儀器。拉伸試驗(yàn)采用(型號(hào))拉伸試驗(yàn)機(jī)，參照ASTME8M標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣規(guī)格是M10×1.5。拉伸斷口分析采用SEM6460型電子顯微鏡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 棒材致密化行為研究

鍛造后棒材密度隨加工率變化結(jié)果如圖1所示。由圖中結(jié)果可知，燒結(jié)密度為96%的TZM鉬合金粉冶燒結(jié)棒坯，隨著鍛造加工率增大，鍛造棒材密度顯著增大，經(jīng)過(guò)60%變形量后，材料內(nèi)部顯微縮孔得到有效的壓實(shí)，使棒材密度很快由96%增大到99%，至70%以上加工率密度超過(guò)99.95%。這說(shuō)明粉冶TZM鉬合金在鍛造過(guò)程中致密化程度取決于材料的加工變形總量。

圖1 TZM鉬合金棒材加工密度

3.2 棒材的組織

鍛造后，1#、2#和3#TZM棒材縱向和橫向組織如圖2所示。由金相照片看出，鍛造后棒材晶粒沿縱向拉長(zhǎng)，呈明顯的纖維組織，橫向晶粒組織細(xì)密。晶粒間隙和晶粒之內(nèi)都有均勻、彌散分布的強(qiáng)化顆粒，對(duì)鉬合金基體起到彌散強(qiáng)化作用，其主要成分是TiC、ZrC以及少量TiC和ZrO。比較不同變形量下的棒材組織可以發(fā)現(xiàn)，80%變形量后組織較60%加工后更加細(xì)密均勻，試驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)70%變形量后棒材的纖維織構(gòu)已經(jīng)完全形成，且晶粒分布較均勻。這是因?yàn)殡S著變形加工量的增大，晶粒變形增大，變形過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶界滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，并伴有晶粒破碎現(xiàn)象，從而導(dǎo)致加工棒材晶粒的纖維織構(gòu)更加一致，晶粒組織更加細(xì)小均勻［6，7］。

圖2 鍛造棒材組織

3.3 棒材的機(jī)械性能

鍛造后的TZM合金棒材縱向室溫力學(xué)性能和顯微硬度結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖中可以看出，隨著鍛造加工率的增大，棒材的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、纖維硬度直線(xiàn)增大，60%加工率后，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了650 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到了575 MPa，室溫延伸率達(dá)到了7%，顯微硬度達(dá)到HV220;至80%變形后強(qiáng)度增大到780 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到710 MPa，延伸率達(dá)到了25%，顯微硬度達(dá)到HV255。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)鍛造加工過(guò)程中由于出現(xiàn)了晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)和破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛造后晶粒沿縱向轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，平均晶粒度減小，導(dǎo)致縱向晶界接觸面積增大，晶界阻力增大，所以材料的縱向強(qiáng)度增大，纖維硬度增大。表現(xiàn)在拉伸行為上就是棒材拉伸后沒(méi)有了燒結(jié)態(tài)的脆性材料的特點(diǎn)，出現(xiàn)明顯的屈服行為，表現(xiàn)出塑性材料的特征。因此，TZM鉬合金是一種典型的變形強(qiáng)化合金［6，7］。

進(jìn)一步研究棒材拉伸斷口掃描結(jié)果如圖4所示。試樣拉伸前的斷口直徑為5 mm，經(jīng)過(guò)拉伸后1#、2#和 3#宏觀斷口直徑分別為 4.3 mm、3.5 mm 和2.7 mm，特別是3#樣端面裂紋成輻射狀分布，剪切唇，裂紋源擴(kuò)展區(qū)清晰可見(jiàn)，成典型的塑性斷口。說(shuō)明變形后材料出現(xiàn)了明顯的塑性變形。進(jìn)一步觀察斷裂后微觀斷口發(fā)現(xiàn)1#斷口表面僅有部分突出的變形區(qū)，表現(xiàn)出低塑性材料的斷裂特征，2#和3#表面晶粒斷裂痕跡清晰，且出現(xiàn)了大量擴(kuò)展裂紋，表現(xiàn)出高速性材料的斷裂特征［7］。這說(shuō)明，70%加工變形量以上材料表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征。

圖3 TZM鉬合金棒材變形量與強(qiáng)度和延伸率關(guān)系

圖4 TZM鉬合金棒材加工變形量與硬度關(guān)系

圖5 棒材鍛造退火后縱、橫向金相組織

4 結(jié)論

(1)隨著鍛造加工量的增大，TZM鉬合金棒材內(nèi)部顯微縮孔得到有效的壓實(shí)，致密度不斷增大。總加工量大于70%以上，材料致密度可大于99.95%;

(2)增大鍛造加工率，有利于TZM鉬合金棒材變形組織晶粒細(xì)化和第二相粒子均勻分布。實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)大于70%變形量加工后，TZM鉬合金棒材晶粒變形增大，纖維組織更加致密，強(qiáng)化的第二相顆粒分布均勻。

(3)鍛造過(guò)程對(duì)TZM鉬合金具有顯著的強(qiáng)化作用。隨著鍛造變形加工量增大，鍛造TZM棒材的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率和顯微硬度均明顯增加。鍛造加工量超過(guò)80%時(shí)，棒材拉伸強(qiáng)度達(dá)到780 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到710 MPa，延伸率達(dá)到了25%，顯微硬度達(dá)到HV255。總加工量大于70%時(shí)，棒材斷裂方式表現(xiàn)出明顯呈韌性斷裂特征。

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