顯微組織對TC4ELI鈦合金常溫拉伸蠕變行為影響研究

李有華，楊蓉，慶達嘎，文志剛

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

隨著時代的發(fā)展，海洋資源開采、海洋科學探索和海洋權(quán)益維護對深海裝備的需求越來越大，相應(yīng)的對深海裝備的工作深度和工作能力也提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的鋼制耐壓結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來越難以滿足深海裝備對容重比的要求，而鈦合金以其具有高比強度、耐腐蝕、低磁性等諸多優(yōu)點[1]，在深海耐壓結(jié)構(gòu)中替代傳統(tǒng)材料有明顯的優(yōu)勢，并已經(jīng)在深海潛水器中得到了成功運用。

蠕變是指當固體受到恒定的外力作用時，其應(yīng)力與變形隨時間變化的現(xiàn)象[2]，王金友[3]等通過研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V鈦合金在400℃高溫，30公斤力/mm2，加載時間100小時的情況下，網(wǎng)籃組織比等軸組織有較好的蠕變抗力。Fentiman W P等[4]指出顯微組織中的條狀T比等軸T有較好的抗蠕變能力。H.Tanak[5]等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，CP-Ti和鈦合金（Ti-6Al-4V）在室溫下應(yīng)力水平低于屈服應(yīng)力時，依然會發(fā)生明顯的蠕變變形，所以鈦合金在無論是受拉或耐壓結(jié)構(gòu)材料使用過程中必須考慮其蠕變特性。一些重要的外在因素，如加載應(yīng)力、加載時間、組織結(jié)構(gòu)等對合金的蠕變性能均有影響，而目前國內(nèi)外對TC4ELI鈦合金不同顯微組織的常溫拉伸蠕變特性研究報道較少，本文將重點研究雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織兩種不同形態(tài)顯微組織在不同加載應(yīng)力條件下的常溫拉伸蠕變特性，獲得TC4ELI鈦合金材料的蠕變應(yīng)變-時間曲線，為今后TC4ELI鈦合金結(jié)構(gòu)材料對顯微組織的選擇提供依據(jù)。

圖1 TC4ELI鈦合金原始顯微組織

圖2 常溫拉伸蠕變試樣圖

表1 TC4ELl鈦合金橫向室溫拉伸力學性能

表2 不同顯微組織TC4ELl鈦合金常溫拉伸蠕變測試結(jié)果

1 實驗材料和方法

實驗用的原材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司經(jīng)過三次真空自耗電弧爐熔煉的TC4ELI鈦合金鑄錠，鑄錠規(guī)格Φ820mm，其主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為6.2Al，4.2V，余量為Ti，相變點為991℃。經(jīng)兩種不同軋制工藝獲得22mm厚度規(guī)格合金厚板，原始顯微組織分別為雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織，如圖1所示。

拉伸蠕變試樣機加和試驗方法按照《GB/T2039-1997金屬材料 單向拉伸蠕變試驗方法》，試驗在RD-50型蠕變試驗機上進行，加載應(yīng)力為0.6Rp0.2和0.8Rp0.2，保載時間150h后，繪制蠕變應(yīng)變-時間曲線。

常溫拉伸和壓縮蠕變的試樣尺寸要求和實物如圖2所示，兩種顯微組織的橫向室溫拉伸力學性能測試結(jié)果見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 常溫拉伸蠕變

TC4ELI鈦合金不同顯微組織在不同加載應(yīng)力下的拉伸蠕變應(yīng)變-時間曲線如圖3所示，常溫拉伸蠕變測試結(jié)果見表2。從表2可以看出，在加載應(yīng)力為0.6Rp0.2，保載時間為150h的條件下，TC4ELI鈦合金網(wǎng)籃組織的塑性伸長率為0，即沒有發(fā)生拉伸蠕變變形，雙態(tài)組織的塑性伸長率為0.001%，網(wǎng)籃組織的常溫拉伸蠕變性更好。在加載應(yīng)力為0.8Rp0.2，保載時間為150h的條件下，TC4ELI鈦合金網(wǎng)籃組織的塑性伸長率比雙態(tài)組織的低0.006%，表現(xiàn)出更好的常溫拉伸蠕變性能。綜上所述，在相同加載應(yīng)力的條件下，TC4ELI鈦合金網(wǎng)籃組織比雙態(tài)組織的常溫拉伸蠕變性能更好，主要是因為不同的組織形態(tài)具有不同的蠕變機制。雙態(tài)組織中滑移變形首先是從個別α晶粒中開始，隨著應(yīng)變量增加，滑移將占據(jù)越來越多的α晶粒，隨后才向周圍的由α轉(zhuǎn)變的β晶粒擴展，所以蠕變空洞形核較遲，但是空洞一旦形核，即可迅速擴展而形成準解理斷裂；而在網(wǎng)籃組織中滑移易在晶界處產(chǎn)生嚴重的位錯塞積，從而促進了蠕變空洞的形核與發(fā)展，但是混亂交織的片狀α給蠕變滑移增加了難度，盡管空洞形核較早，但擴展困難，形成晶內(nèi)損傷而呈現(xiàn)明顯的解理特征。同時，雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織的條束間界面相比，晶界α與基體之間的界面更易滑動和產(chǎn)生蠕變空洞，甚至沿晶開裂。因此，從宏觀上表現(xiàn)出網(wǎng)籃組織有更低的蠕變速率。

圖3 TC4ELI鈦合金在不同加載應(yīng)力下的拉伸蠕變應(yīng)變-時間曲線

3 結(jié)論

（1）在加載應(yīng)力為0.6Rp0.2，保載時間為150h的條件下，TC4ELI鈦合金網(wǎng)籃組織的塑性伸長率為0，沒有發(fā)生拉伸蠕變變形，雙態(tài)組織的塑性伸長率為0.001%，網(wǎng)籃組織的常溫拉伸蠕變性能更好。

（2）在相同加載應(yīng)力的條件下，TC4ELI鈦合金網(wǎng)籃組織比雙態(tài)組織的常溫拉伸蠕變性能更好，從宏觀上表現(xiàn)出網(wǎng)籃組織有更低的蠕變速率。