短时间热处理制度提升钛合金强度

 
森田辰郎
1.引言
    Ti-6Al-4V合金是一种非常具有代表性的α+β型钛合金,其比强度高、耐蚀性优良,被广泛应用于航空航天产业、医疗植入物领域,在这两个领域都比较发达的美国,该合金占所有钛消费量的50%以上。因此,改善Ti-6Al-4V合金的性能,对相关领域的影响很大。
    例如,如果能够通过热处理等后续处理提高钛合金植入物的强度(尤其是弯曲疲劳强度),就不用大幅变更加工工艺来实现产品的小型化。当然,材料必须满足严格的医疗相关认可标准。如果能够提高材料强度,借助于小型化的植入物,能够显著地缓和手术对身体的影响(如埋设部位的大小)。
    在上述背景下,笔者为提高Ti-6Al-4V合金的强度,对独立开发的短时间热处理进行了系统的研究。并且将该热处理办法与新开发的复合表面处理进行了发展性的融合,同时提高了钛合金的耐磨性、机械性和疲劳强度。加上近年来定制植入已进入人们的视线,目前正在推进各种工艺处理后的3D打印的钛合金的性能改善工作。
    本文由于篇幅所限,重点对Ti-6Al-4V合金加工材的短时间处理制度以及该热处理制度对材料组织、各种强度的影响进行概述。
2.短时间热处理下的组织结构
短时间热处理制度下Ti-6Al-4V合金的组织变化见图1。图中采用模式图显示了原材料(以下简称为UN材)经第一阶段处理后的材料(ST材)和ST材经第二阶段处理的材料(STA材)的EBSD(电子背散射衍射)分析结果。
    图2归纳了STA材的原始β相的TEM观察结果和电子束衍射绕射图形。为了便于参考,在各图图说中都标注了热处理条件。
如图1所示,UN材的显微组织由等轴α相和周围的β相构成。将其在β相变点(1271K)温度以下加热时,等轴α相还有残留,但由于温度越高,β相的体积率就会增加,因此Al、V等合金元素就会发生再分布。传统的固溶时效处理通过长时间较高温度加热(1172~1241K,576s~3.6ks)使合金元素充分扩散后迅速冷却,在原始β相当中生成针状α’马氏体。之后,通过再加热(755~963K,7.2~21.6ks),在原始β相当中析出细小的α相,从而维持材料的延展性、改善强度。


图1  短时间热处理制度下Ti-6Al-4V合金的组织变化

不过,短时间加热随后迅速冷却时,由于合金元素没有充分扩散,因此富含V的相区就会留下更多的残留β相。也就是说,ST材的原始β相随着迅速冷却,不仅会形成α’相,而且EBSD分析中无法识别的黑色部分含有较多的残留β相。材料组织中生成的α’相改善了材料强度,另外残留的β相通过应力感生变化,有助于提高材料的延展性。


图2  原始β相组织
(处理制度:1203K,60s,WQ→853K,40s,AC)

    在应力水平较低时,上述ST材中的残留β相就产生了应力感生变化,因此对其屈服强度的改善不太明显(参照第三节)。不过,如果能随后进行第二阶段处理,析出原始β相当中的细小α相(见图2),调整残留β相的量,就能在显著提高屈服强度和抗拉强度的同时,也能适当地维持材料的延展性。
3.短时间热处理对机械性能的改善
    图3显示了短时间热处理当中Ti-6Al-4V合金的强度和延展性的变化。图4为UN材与各种热处理材料的实际应力-形变曲线。

图3  短时间热处理过程中力学性能的变化
(处理制度:1203K,60s,WQ→753-953K,40s,AC)

    从图3可知,经过ST处理后,材料的抗拉强度和延展性都得以提高,但如上节所述,屈服强度提高不是太大。这是由于残留β相的应力感生变化引起的。实际上,从图4可明确看出,UN材的实际应力-形变曲线呈直线,而ST材的曲线在低应力下大幅弯曲并且一直上升。

图4  实际应力-形变曲线
(处理制度:1203K,60s,WQ→753-953K,40s,AC)
    ST处理后,如果第二阶段处理能减少残留β相的量的话,不仅能够改善材料的屈服强度,还能大幅提高抗拉强度,见图3。与此相符,各STA材的实际应力-形变曲线比ST材的靠上,且曲线的弯曲程度随着加热温度的上升,逐渐平稳,见图4。结果,STA材的延展性的静强度虽有所改善,但由于残留β相的应力感生变化,其延展性仍处于UN材之上。
    如上所述,如果将短时间热处理应用于Ti-6Al-4V合金,就有可能实现与传统固溶时效处理不同的柔软组织,短时间内同时实现强度改善和延展性维持。
4.应力感生变化下的缺口材料的疲劳强度改善
   通常,金属材料的疲劳特性对确保产品的安全性和耐久性非常重要。钛一旦发生疲劳裂纹,裂纹就会不断地延伸直至最终破损,因此应力集中部位对疲劳强度非常敏感,这是一直以来都存在的问题。
    笔者所做的研究已经证明,平滑的Ti-6Al-4V合金材料通过短时间热处理就能提高疲劳强度。不过,实际当中的产品不可避免地存在缺口部分等应力集中部位。因此,为了实现实际应用,改善Ti-6Al-4V合金的疲劳强度时,就必须考虑应力集中的影响。
基于以上情况,笔者近年做了一些实验,先设定材料存在应力集中部位,且加工后表面也未经调整,然后通过短时间热处理改善疲劳强度。在试验中,对有缺口的试样(JIS Z2274)在机械加工的原样下进行ST处理,使疲劳裂纹通过残留β相的应力感生变化主动停下来,以改善疲劳强度。



    经ST处理后的缺口材料的疲劳强度大幅提升。尤其是处理温度在1233K时,提升率达到了40%。观察经1×107应力循环未破损的缺口部分发现,与预想的一样,出现了不扩展裂纹。查看该材料断面上的裂纹头部发现,裂纹头部的原始β相无扩展,见图6。由此可见,通过应用短时间热处理,可以降低应力集中对Ti-6Al-4V疲劳强度的影响。
5.结语
作者个人认为,与铁系列材料相比,钛作为金属拥有“普通”的性质。不过,疲劳特性方面也兼具特殊性。钛“呼唤”我们抓住机会进行学术研究和产品开发。