열처리 공정이 고강도 티타늄 합금 봉의 구조 및 기계적 성질에 미치는 영향

Nov 08, 2023

1. 소개

티타늄 및 티타늄 합금은 높은 비강도, 내식성 및 고온 저항과 같은 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 항공 우주, 해양 공학, 무기 및 장비, 생물 의학, 석유 화학 및 기타 분야에서 재료 성능에 대한 수요가 증가함에 따라 고강도 티타늄 합금이 급속히 발전했습니다. 거의 유형의 티타늄 합금은 최적화된 가공을 통해 고강도 및 인성의 우수한 특성을 얻을 수 있습니다. 열처리 공정 인장 강도 1300MPa, 연신율 6%, 파괴 인성 50MPa/m2의 티타늄 합금을 일반적으로 초고강도 티타늄 합금이라고 합니다. 연구에 따르면 입자 크기, 라멜라의 길이 및 두께 및 결정립계의 상은 티타늄 합금의 강도와 인성에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 입자 내의 라멜라는 매트릭스를 강화하고 균열 확장 경로를 연장할 수 있으며 이는 합금 최적화에 유리합니다. 강한 인성. 연속 결정립계는 합금의 소성에 영향을 주지만 결정립 크기가 균열 팁 소성 영역보다 큰 경우 합금의 인성에 영향을 미치지 않습니다. Niinomi et al. Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 합금의 입자 크기가 증가하고 균열 핵생성 저항이 증가하며 합금의 파괴 인성이 향상된다는 사실을 발견했습니다. 고강도, 고인성 티타늄 합금을 얻기 위해 티타늄 합금은 일반적으로 위상 영역에서 열처리되어 더 큰 크기의 등축 결정립을 얻고 합금 강도를 향상시키기 위해 추가 시효 강화를 통해 전체 라멜라 조직을 얻습니다.

위상 영역 처리는 등축 입자를 형성합니다. 결정립 크기와 결정립계 강도는 초고강도 티타늄 합금의 강도와 인성에 영향을 미치는 주요 요소입니다. 열처리 공정 매개변수를 조정하여 티타늄 합금의 미세 구조를 제어하는 경제적인 방법입니다. 그리고 효과적인 강화 수단 . 본 논문은 고강도 티타늄 합금의 열처리 시스템을 조절하여 다양한 결정립 크기와 다양한 결정립계 형태를 갖는 구조를 얻습니다. 고강도 티타늄 합금의 입자 크기와 기계적 특성에 대한 위상 영역의 고용 시간의 영향을 연구합니다. 2단계 고용 공정 중 합금의 기계적 특성에 대한 결정립계 조대화 거동의 영향은 고강도 티타늄 합금의 산업적 생산에 대한 이론적 참고 자료를 제공합니다.

2. 실험

실험에 사용된 티타늄 합금은 저자 연구팀이 독자적으로 개발한 신형 Ti-Al-Mo-V-Cr-X 합금이다. 합금 상변태점은 약 800도이다. 3회 진공 소모성 용융을 거쳐 잉곳을 얻습니다. 상대를 연 후 (+) 상대와 상대를 단조하여 직경 400mm의 대형 티타늄 합금 막대를 얻습니다.

대형 봉강 구조의 불충분한 균일성을 방지하고 실험 결과에 영향을 미치기 위해 단조 봉강의 핵심 재료만 샘플링했습니다. 다양한 열처리 공정 설계가 그림 1에 나와 있습니다. 합금 샘플을 상대에서 고용체 처리하고 5~240분 동안 유지한 후 공냉한 후 530도에서 4시간 동안 숙성하여 통일화했습니다. 그림 1a에서. 합금은 2단계 고용체, 2단계 고용체 방법 A: 먼저 상 변태점(820도)보다 높은 온도에서 1시간 동안 고용된 후 실온으로 공냉된 후 통과됩니다. 각기 다른 온도(740, 760 및 780도)에서 ( + ) 위상 영역을 통과한 다음 실온으로 공냉식됩니다(각각 820 + 740, 820 + 760 및 820 +780으로 계산됨) 그림 1b와 같이 1시간 동안 최종적으로 530도/4시간 노화 처리를 거쳤습니다. 2단계 고용체법 B: 820도에서 1시간 동안 고용시킨 후 (+)상 영역(740, 760 및 780도)에서 서로 다른 온도로 천천히 노 냉각하고, 1시간 동안 유지한 후 실온으로 공냉 온도(각각 820~740, 820~760, 820~780으로 계산)를 거쳐 그림 1c에 표시된 대로 최종적으로 530도/4h 노화 처리를 거쳤습니다.

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상기 고용체 및 시효 처리된 샘플을 기계적으로 연마하고, 연마하고, 화학적으로 에칭한 후, 금속현미경과 TESCAN MIRA3 전계방출형 주사전자현미경을 이용하여 합금조직을 관찰하였다. 각 그룹의 샘플에 대해 균일한 인장 실험을 수행하기 위해 INSTRON5982 인장 기계를 사용했으며 인장 속도는 0이었습니다. 5mm/분 SANS-ZBC2452-C 금속 진자 충격 시험기를 사용하여 각 샘플 그룹에 대해 금속 샤르피 U자형 개방 충격 시험을 수행했습니다.

3. 결과 및 논의

고용체 및 시효 열처리 방식을 제어함으로써 등축 결정립과 라멜라를 갖는 티타늄 합금이 얻어졌으며, 초고강도 티타늄 합금의 기계적 특성에 대한 결정립 크기 및 결정립 경계 형태의 영향을 조사했습니다.

3.1 합금의 기계적 성질에 대한 결정립 크기의 영향

티타늄 합금을 820도에서 5~240분 동안 유지한 후 상온까지 공냉한 후 530도에서 4시간 동안 시효시켰다. 미세구조를 그림 2에 나타내었다. 고용시간이 5분과 10분인 경우 유지시간이 짧아 재결정립은 관찰되지 않고 곡선의 원래 결정립계가 여전히 관찰되며 결정립직경은 154이다. 각각 143μm입니다. 고용시간이 20분일 때 직선적인 결정립계를 갖는 재결정립이 일부 관찰될 수 있다. 재결정된 입자의 크기는 직경이 55μm로 작습니다. 고용시간이 30분일 때, 합금의 모든 결정립계는 직선적이고 명확하여 합금이 완전히 재결정되었음을 나타내며, 동시에 재결정화된 결정립이 성장하고 그 직경은 약 88μm입니다. 그림 3a 및 3b에 표시된 것처럼 고용체를 5분 및 10분 동안 용해하면 불연속적인 입자 경계가 관찰될 수 있습니다. 고용시간이 20분일 때 재결정된 직선형 결정립계가 관찰될 수 있지만(그림 3c) 완전히 재결정되지는 않았습니다. 결정화 중에 소량의 기본 상이 여전히 관찰될 수 있습니다. 고용 시간이 30분이면 직선형 결정립계만 존재하며(그림 3d) 이때 합금은 완전히 재결정됩니다.

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그림 2e~2f에서 보는 바와 같이 고용시간이 길어질수록 재결정립이 균일하게 성장하며 크기도 점차 커지는 것을 알 수 있다. 고용시간이 240분에 도달하면 입자 크기가 가장 크며 직경은 약 186μm입니다. 곡물의 성장은 인터페이스 이동의 결과입니다. 일정한 온도에서 인터페이스 이동의 추진력은 식(1)으로 표현될 수 있습니다.

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공식에서 는 계면 에너지(J/m2)입니다. R은 인터페이스의 곡률 반경(m)입니다. p는 인터페이스 마이그레이션 원동력(J/m3)입니다. 입자 반경이 작을수록 계면 곡률은 커집니다. 인터페이스 곡률 반경이 작을수록 상변화 추진력이 커지고 인터페이스 이동 속도가 커집니다. 계면의 이동과정은 계면의 곡률을 감소시키고 계면 양쪽의 자유에너지 차이를 감소시키는 과정이다[15]. 따라서 등온 고용체 공정 동안 유지 시간이 증가함에 따라 큰 결정립 중 일부는 계속 성장하는 반면, 작은 결정립은 점차 수축하여 결정립 경계가 이동함에 따라 결국 사라집니다.

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따라서 고용시간이 60~240min인 미세조직에서는 결정립크기에 큰 차이가 관찰된다. 결정립 크기와 고용시간 사이의 관계는 그림 4에 나와 있습니다. 합금이 완전히 재결정되면 고용시간이 증가함에 따라 결정립 크기가 상당히 커집니다. 용해시간에 따른 초고강도 티타늄 합금의 기계적 성질 변화는 그림 5에 나타나 있다. 용해시간이 5~20분일 경우 합금의 강도는 높아지지만 가소성 및 인성은 낮아진다. 이는 용해시간이 짧고 합금이 완전하게 형성되지 않기 때문이다. 재결정 후에도 원래 조직의 일부가 그대로 유지됩니다. 고용시간이 30~240분 범위에 있을 때 합금은 완전히 재결정화됩니다. 고용시간이 증가함에 따라 결정립 직경은 88μm에서 186μm로 증가합니다. 합금의 기계적 성질과 고용시간은 선형법칙을 따르지 않습니다. 분석에 따르면 고용시간이 60분일 때 계면 이동으로 인해 형성된 작은 크기의 결정립이 많이 형성되어 국부적인 응력 집중이 발생하는 것으로 나타났습니다. 이때 합금 항복강도와 인장강도가 최고에 도달합니다. , 각각 1346 및 1391MPa. 고용 시간은 합금의 연신율, 면적 감소 및 충격 인성에 큰 영향을 미치지 않습니다. 이는 단기간 고용된 후 합금의 결정립 크기가 작아져 입계 균열 가능성이 증가하기 때문입니다. 동시에, 특정 균열 확장 경로가 어느 정도 확장됩니다. 고용 시간이 길어질수록 결정립 직경이 증가하고 결정립계 수가 감소하여 입계 균열 가능성이 감소하고 합금의 가소성 및 인성이 향상됩니다. 따라서 위의 두 가지 요소를 기반으로 고용 시간은 합금의 가소성과 인성에 큰 영향을 미치지 않습니다.

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3.2 합금의 기계적 성질에 대한 결정립계 형태의 영향

결정립계 형태가 합금의 기계적 성질에 미치는 영향을 연구하기 위해 2단계 고용법 A와 B를 사용하여 결정립계 조대화 조직을 얻었다. 노화 처리 후, 라멜라 2차 상은 매트릭스에 침전되어 매트릭스와 버거 배향 관계를 따릅니다. 2차 라멜라의 크기와 두께는 노화 온도와 시간에 따라 달라집니다. 합금의 기계적 성질에 대한 2차 라멜라 형태의 영향을 피하기 위해, 두 가지 방법으로 얻은 고용체 구조를 530도에서 통일시키고 4시간 동안 숙성시켜 최종 미세구조를 그림에 나타내었다. 6. 비슷한 크기와 두께의 미크론 수준의 2차 라멜라가 매트릭스에 고르게 배열되어 있습니다. 다양한 열처리 조건에서 결정립계의 조대화 현상을 관찰할 수 있습니다. (+)상 영역의 고용온도가 낮을수록 결정립계가 조대화되는 현상이 나타난다. 그럴수록 더욱 분명합니다.

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2단계 고용법 A에서 -형 티타늄 합금은 상역에서 고용된 후 직선형 결정립계를 갖는 등축 결정립을 얻고, 두 번째 상(+) 상역 고용단계에서 상이 형성됩니다. , 초고강도 티타늄 합금의 높은 함량의 안정화 원소와 상대적으로 안정적인 매트릭스로 인해 결정립계의 도움으로 핵 생성에 필요한 에너지는 결정 자체 내에서 균일한 핵 생성에 필요한 에너지보다 훨씬 낮습니다. 16,17], 따라서 위상이 결정에서 선두를 차지합니다. 그림 6a~6c와 같이 경계에서 형성되고 점차적으로 입자로 성장하여 조잡한 입자 경계를 형성합니다. (+)상 영역의 고용온도가 740도인 경우, 그림 6a의 결정에는 소량의 1차상이 관찰된다. 티타늄 합금의 열역학적 평형 상태도에 따르면 고용체 온도가 낮을수록 상의 비율이 증가합니다. 740도 고용체 온도는 더 낮고, 과냉각 정도가 클수록 핵 생성 추진력이 증가하고 상의 핵 생성이 촉진됩니다. 고용체 온도가 증가하면 과냉각에 의해 제공되는 임계 핵생성 작업은 핵생성 에너지 장벽을 극복할 수 없습니다. 따라서 760도와 780도에서는 고용체 중에는 결정 내 초상의 존재를 관찰할 수 없으며, (+)에 따라 상영역의 고용온도가 낮아지고 결정립계 조대화 정도가 뚜렷해진다. 2단계 고용체법 B에서는 상대에 고용된 후 노를 천천히 (+)상대까지 냉각하고 서로 다른 온도로 유지합니다. 로 냉각의 냉각 속도는 약 1도/분입니다.

냉각 속도가 느리기 때문에 서냉 공정의 초기 단계에서는 매트릭스의 조성이나 온도 변동이 없어 1차상이 결정립에서 핵생성을 어렵게 만듭니다. 냉각시간이 길어짐에 따라 고용온도는 점차 낮아지고, 결정입계의 일부가 불균일한 핵생성점으로 결정입계를 따라 초상이 석출되어 점차 결정립 내부로 성장하게 된다. 티타늄 합금에서는 (+)상 영역의 고용 온도가 낮아질수록 초상의 비율이 증가합니다. 용액 모드 B에서는 (+) 상 영역의 고용 온도가 낮을수록 결정립계가 거칠어집니다. 숫자가 클수록.

그러나 그림 6d~6f에서는 (+)상 영역의 고용온도가 결정립계의 조대화 정도에 큰 영향을 미치는 것을 볼 수 없다. 이는 고용온도가 낮을수록 결정립계 성장을 촉진하는 운동적 추진력이 낮아져 결정립계 성장에 도움이 되지 않기 때문이다.

합금은 두 가지 방식으로 고용화되고 균일하게 시효되었습니다. 인장 특성과 충격 특성은 그림 7에 나와 있습니다. 두 가지 고용체 모드에는 유사한 규칙이 있습니다. (+)상역의 고용온도가 증가함에 따라 합금의 강도와 가소성은 증가하지만 충격인성의 변화는 뚜렷하지 않습니다. 미세 구조 분석과 결합하면 2단계 고용 모드 A에서 (+) 상 영역의 고용 온도가 낮을수록 결정립계 조대화 효과가 더 크게 나타나는 것으로 생각됩니다. 2단 고용 모드 B에서는 (+ 상 영역의 고용 온도가 낮을수록) 결정립계가 더 조대화되고 동시에 합금의 강도와 가소성이 감소하여 결정립이 경계 조대화는 결정립계를 약하게 만들고 합금의 강도와 가소성에 영향을 미칩니다. 이는 조대화된 입계가 일차상으로 구성되어 있고, 숙성 후 형성된 라멜라가 매트릭스를 강화시켜 입계상보다 강도가 훨씬 높기 때문이다. 따라서 인장 실험 중에 조대화된 입자 경계가 우선적으로 변형되는 반면, 강화된 매트릭스는 변형되기 어렵습니다. 변형 정도가 증가할수록 응력이 결정입계 계면에 집중되어 균열이 형성되고, 균열이 결정입계를 따라 전파되기 쉬워 입계 파괴가 발생하여 합금의 강도와 소성이 동시에 저하된다. 17]. 합금은 결정립 경계를 조대화하지 않고 상 영역에서만 고용 및 노화를 겪습니다. 항복강도는 1346MPa, 인장강도는 1391MPa, 연신율은 60분 고용 후 그림 5와 같이 5%입니다. 대조적으로, 2단계 고용체가 결정립 경계를 거칠게 만든 후에는 강도와 가소성이 다양한 정도로 감소됩니다. 그 중 고용법 A의 결정립계 조대화 효과가 고용법 B의 결정립계 조대화 효과보다 크기 때문에 합금의 전체 강도가 낮습니다. .

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그림 8은 두 가지 유형의 2단계 고용체 및 통합 노화의 인장 파괴 형태를 보여줍니다. 샘플의 거시적 파괴에는 다수의 편평한 면이 있는 것으로 관찰됩니다. 균열의 고배율 사진을 추가로 관찰하면 이러한 면이 매끄럽고 편평하며 이는 가장자리를 따라 일반적으로 나타나는 것으로 나타났습니다. 또한 결정질 파괴 표면에는 얕은 깊이의 딤플이 있는데, 이는 파괴 메커니즘이 입계 균열이 있는 혼합 파괴 메커니즘임을 나타냅니다. 비교를 통해 2단 고용법 A에서 보다 매끄럽고 편평한 입계 파단면이 관찰되는 것을 알 수 있었으며, 이는 입계 조대화 효과가 큰 샘플일수록 입계 파단을 겪을 가능성이 높음을 확인하여 합금 강도와 동시에 가소성이 악화됩니다. . 따라서 실제 생산 공정에서는 강도가 낮은 결정립계가 조대화되는 것을 피해야 하며, 약한 결정립계 문제에 대한 심층적인 연구가 필요하다.

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4 결론

(1) 상변태점(800도) 이상에서 고용된 후 530도에서 시효처리된 초고강도 티타늄 합금의 경우 고용시간이 증가함에 따라 합금은 점차적으로 증가하고 등온 고용 과정의 입자 경계 이동, 일부 입자는 성장하고 일부 입자는 사라질 때까지 수축합니다. 이 과정에서는 입자 크기에 큰 차이가 발생합니다. 30~240분 동안 상대를 절연하는 것은 합금의 인장 특성과 충격 특성에 큰 영향을 미치지 않습니다.

(2) 초고강도 티타늄 합금은 2단계 고용체 및 530도 시효 처리를 거칩니다. 고용체법 A(상역을 실온까지 냉각시킨 후 (+)상역을 고용)에서는 두 번째 단계(+)와 같이 상역의 고용온도가 감소하여 결정립이 경계 조대화 효과가 점차 명백해집니다. 740도에서 고용되는 동안 큰 과냉각으로 인해 일부 입자 내부에 1차 상이 형성됩니다. 고용체 모드 B(상 영역이 완전히 용해된 후 노가 (+) 상 영역으로 냉각됨)에서는 느린 냉각 속도로 인해 결정립계의 일부만 거칠어집니다. 고용체 온도가 감소함에 따라 결정립계의 상이 성장합니다. 화학적 구동력이 감소하므로 결정립계 조대화 효과는 다양한 고용체 온도에서 동일하지만 고용체 온도가 낮을수록 조대화된 결정립계의 수가 많아집니다.

(3) 조대화된 입계의 강도가 낮고, 변형 과정에서 우선적으로 변형되어 응력 집중 및 균열이 발생합니다. 균열은 결정립을 따라 전파되어 합금의 강도와 가소성을 동시에 감소시킵니다. 결정립계 조대화의 효과가 더욱 분명할수록 합금 강도에 미치는 영향도 커집니다. 그리고 소성에 대한 영향이 커질수록 입자 크기는 변하지 않으므로 합금의 충격 인성에 큰 영향을 미치지 않습니다.

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