多向鍛造對(duì)汽車用Ti80鈦合金組織及性能影響分析

引言

鈦合金是汽車工業(yè)中的一種常用金屬材料。由于強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，鈦合金備受關(guān)注。甘偉等"分析了鍛造溫度對(duì)汽車用新型鈦合金性能的影響。宋緯[2]對(duì)汽車鈦合金氣閥的鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化。趙福利和汪永江[3]探討了攪拌摩擦加工對(duì)汽車用鈦合金性能的影響。周渝慶和張祥[對(duì)機(jī)械緊固件用新型鈦合金鍛造溫度進(jìn)行了優(yōu)化研究。張斌[分析了鈦合金汽車零件燒結(jié)過(guò)程中的燒結(jié)工藝對(duì)零件性能產(chǎn)生的影響。張慧芳[6]研究了如何在汽車用鈦合金表面制備雙輝等離子Mo合金化層，并測(cè)試了分析涂層的摩擦磨損性能。周曉虎等[7]分析了準(zhǔn)β鍛造工藝對(duì)TC21鈦合金大型鍛件組織及性能的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)汽車用鈦合金性能的要求不斷提高，尤其是力學(xué)性能和耐磨損性能。已有的研究表明，多向鍛造作為一種新型的材料改性手段在金屬材料改性方面得到成功應(yīng)用8]。張偉華等[9分析了終鍛溫度對(duì)多向鍛造高純銅組織及硬度的影響。藍(lán)希鑫等[0]分析了多向鍛造對(duì)TC21鈦合金α+β片層組織球化的影響。

但是，目前鈦合金多向鍛造的研究還較少，迫切需要進(jìn)一步研究和探索。為此，筆者研究了多向鍛造對(duì)汽車制造用Ti80鈦合金顯微組織、力學(xué)性能和耐磨損性能的影響。

1、試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用三次真空自耗電弧爐熔煉的Ti80鈦合金方形鑄錠（尺寸300mm×300mm×300mm）為試驗(yàn)材料，試樣化學(xué)成分如表1所示。在500t油壓機(jī)上進(jìn)行多向鍛造試驗(yàn)。試樣多向鍛造的每道次鍛造過(guò)程如圖1所示。鍛造加熱采用中頻感應(yīng)加熱，采用自制模具，模具材料為W360鋼，模具預(yù)熱溫度300℃。鍛造時(shí)先將試樣按圖1所示進(jìn)行第一個(gè)方向鍛造（z方向），鍛造完成后取出試樣并旋轉(zhuǎn)90°再進(jìn)行第二個(gè)方向鍛造（y方向），鍛造完成后取出試樣再旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)行第三個(gè)方向鍛造(x方向），由此完成一道次多向鍛造，每道次變形量25% 。多向鍛造過(guò)程中，選擇不同的鍛造溫度和鍛造道次，各試樣的鍛造工藝參數(shù)如表2所示。鍛造溫度分別選為880、920、960℃，鍛造道次分別選為2、5、8，模具預(yù)熱溫度和每道次變形量均保持不變，多向鍛造后各試樣照片如圖2所示。可見，多向鍛造后各試樣外形無(wú)明顯區(qū)別。

1.2 試驗(yàn)方法

用線切割方法在試樣中部切取方形金相試樣（尺寸30mm×20mm×10mm），金相腐蝕劑為13mLHF、26m LH N O ，和100mLH,O混合溶液。金相組織觀察用KEYENCE金相顯微鏡和EVO18掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察用線切割方法在試樣中部切取3個(gè)拉伸樣（具體尺寸見圖3）。在室溫條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為QX-W550微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用的拉伸速度為1mm/min,拉伸斷口的觀察和拍照在EVO18掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。試樣力學(xué)性能測(cè)試值為3個(gè)不同位置取樣的拉伸樣測(cè)試值的算術(shù)平均值。

在試樣中間位置以線切割方式切取圓形磨損試樣（尺寸030mm×15mm）。在室溫條件下進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為HT-1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)磨材料選用45號(hào)鋼材，磨輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min、摩擦磨損時(shí)間設(shè)定為20min、相對(duì)滑動(dòng)速度設(shè)置為90mm/min。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

圖4和圖5是采用不同鍛造溫度多向鍛造的汽車制造用Ti80鈦合金試樣的顯微組織金相照片和掃描電鏡（SEM）照片。從圖4和圖5可以看出，鍛造溫度對(duì)多向鍛造試樣內(nèi)部的組織產(chǎn)生明顯影響。

隨鍛造溫度從880℃升高到960℃，多向鍛造試樣內(nèi)部組織先變細(xì)后變粗，當(dāng)鍛造溫度920℃時(shí)，多向鍛造試樣內(nèi)部的組織晶粒最細(xì)小、組織分布最均勻。多向鍛造試樣內(nèi)部晶粒呈現(xiàn)出較為明顯的等軸組織，第二相分布呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布。

圖6和圖7是采用不同鍛造道次多向鍛造的汽車制造用Ti80鈦合金試樣的顯微組織金相照片和掃描電鏡（SEM)照片。從圖6和圖7可以看出，鍛造道次對(duì)多向鍛造試樣內(nèi)部的組織產(chǎn)生明顯影響。隨鍛造道次從2增加到8，多向鍛造試樣內(nèi)部組織先變細(xì)后變粗，當(dāng)鍛造道次為5時(shí)，多向鍛造試樣內(nèi)部的組織晶粒最細(xì)小、組織分布均勻性最好，試樣內(nèi)部第二相的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布最完整，呈連續(xù)網(wǎng)狀分布。

2.2 力學(xué)性能

采用不同鍛造溫度多向鍛造的汽車制造用Ti80鈦合金試樣的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。從表3可知，鍛造溫度對(duì)多向鍛造試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生較為顯著的影響。當(dāng)鍛造溫度從880℃升高到960℃時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增大后減小、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率先小幅度減小后小幅度增大。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)鍛造溫度880℃時(shí)試樣力學(xué)性能最差；當(dāng)鍛造溫度為920℃時(shí)力學(xué)性能最佳。與鍛造溫度880℃相比，鍛造溫度為920℃時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度增大38MPa、屈服強(qiáng)度增大36MPa、斷后伸長(zhǎng)率減小0.9個(gè)百分點(diǎn)、斷面收縮率減小1.3個(gè)百分點(diǎn)。選擇恰當(dāng)?shù)腻懺鞙囟扔兄谔岣叨嘞蝈懺煸嚇拥牧W(xué)性能。

采用不同鍛造道次多向鍛造的汽車制造用Ti80鈦合金試樣的力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。從表4可知，鍛造道次對(duì)多向鍛造試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生較為顯著的影響。當(dāng)鍛造道次從2增加到8時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先增大后減小、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率先小幅度減小后小幅度增大。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)鍛造道次為2時(shí)，試樣力學(xué)性能最差；當(dāng)鍛造道次為5時(shí)，力學(xué)性能最佳。與鍛造道次為2相比，鍛造道次為5時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度增大29MPa、屈服強(qiáng)度增大24MPa、斷后伸長(zhǎng)率減小0.7個(gè)百分點(diǎn)、斷面收縮率減小0.8個(gè)百分點(diǎn)。鍛造道次并非越多越好，選擇恰當(dāng)?shù)腻懺斓来斡欣诟纳贫嘞蝈懺煸嚇拥牧W(xué)性能。

圖8是不同工藝多向鍛造汽車制造用Ti80鈦合金試樣室溫拉伸試驗(yàn)后拉伸斷口形貌的掃描電鏡(SEM)照片。從圖8可以看出，多向鍛造試樣的拉伸斷口均由韌窩和撕裂棱組成，均表現(xiàn)出比較明顯的韌性斷裂特征。但是與其它工藝參數(shù)相比，采用鍛造溫度920℃、鍛造道次5（圖8（b），2試樣）時(shí)，試樣拉伸斷口中韌窩更加細(xì)小，展現(xiàn)出更加優(yōu)異的拉伸性能。

2.3 耐磨損性能

采用不同鍛造溫度多向鍛造的汽車制造用Ti80鈦合金試樣在室溫條件下的磨損試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可知，鍛造溫度對(duì)試樣磨損體積產(chǎn)生較為明顯的影響。當(dāng)鍛造溫度從880℃升高到960℃時(shí)，試樣磨損體積先減小后增大、試樣耐磨損性能先提高后下降。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)鍛造溫度880℃時(shí)，試樣磨損體積最大、耐磨損性能最差；當(dāng)鍛造溫度920℃時(shí)，試樣磨損體積最小、耐磨損性能最佳。與鍛造溫度880℃相比，鍛造溫度920℃時(shí)試樣磨損15min后磨損體積從21×10^-3mm³減小到7×10^-3mm³,減小了14×10^-3mm³, 鍛造溫度升高到920℃時(shí)顯著提高了多向鍛造試樣的耐磨損性能。

采用不同鍛造道次多向鍛造的汽車制造用Ti80鈦合金試樣在室溫條件下的磨損試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可知，鍛造道次對(duì)多向鍛造試樣的耐磨損性能也產(chǎn)生較為明顯的影響。當(dāng)鍛造道次從2增加到8時(shí)，試樣磨損體積先減小后增大、試樣耐磨損性能先提高后下降。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)鍛造道次為2時(shí)，試樣磨損體積最大、耐磨損性能最差；當(dāng)鍛造道次為5時(shí)，試樣磨損體積最小、耐磨損性能最佳。與鍛造道次為2相比，鍛造道次為5時(shí),試樣磨損體積從9×10^-3mm³減小到7×10^-3mm³,減小了2×10^-3mm³。但是鍛造道次并非越多越好，選擇恰當(dāng)?shù)腻懺斓来慰梢杂行Ц纳贫嘞蝈懺煸嚇拥哪湍p性能。

3、結(jié)論

1）鍛造溫度和鍛造道次對(duì)多向鍛造汽車制造用Ti80鈦合金顯微組織、力學(xué)性能和耐磨損性能均產(chǎn)生明顯影響，隨鍛造溫度從880℃升高到960℃、鍛造道次從2增加到8，多向鍛造試樣的組織先細(xì)化后粗化、力學(xué)性能和耐磨損性能均先提高后下降。

2）當(dāng)鍛造溫度920℃、鍛造道次5時(shí)，多向鍛造汽車制造用Ti80鈦合金試樣晶粒最細(xì)小、第二相呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，試樣力學(xué)性能和耐磨損性能最佳。

3）與鍛造溫度880℃相比，鍛造溫度920℃時(shí)多向鍛造汽車制造用Ti80鈦合金試樣抗拉強(qiáng)度增大38MPa、屈服強(qiáng)度增大36MPa、斷后伸長(zhǎng)率減小0.9個(gè)百分點(diǎn)、斷面收縮率減小1.3個(gè)百分點(diǎn)、磨損15min后磨損體積減小14×10^-3mm³。

4)與鍛造道次為2相比，鍛造道次為5時(shí)多向鍛造汽車制造用Ti80鈦合金試樣抗拉強(qiáng)度增大29MPa、屈服強(qiáng)度增大24MPa、斷后伸長(zhǎng)率減小0.7個(gè)百分點(diǎn)、斷面收縮率減小0.8個(gè)百分點(diǎn)、磨損15min后磨損體積減小2×10^-3mm³。

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