退火制度對TA19 鈦合金大規(guī)格棒材組織和性能的影響

張 哲，何春燕，郭 征，馮 輝

(西部金屬材料有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

1 前 言

熱處理是金屬材料最重要的物理冶金過程之一，也是工業(yè)上控制和改變金屬材料組織、結(jié)構(gòu)和性能的重要手段。退火是熱處理工藝中的一種。由于退火后的晶粒尺寸對材料性能有著直接影響，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)對金屬材料性能需求的不斷提高，生產(chǎn)金屬材料過程中的退火工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不再局限于在傳統(tǒng)的軟化金屬和保證一定晶粒尺寸方面發(fā)揮作用，它已成為金屬材料實(shí)現(xiàn)特殊而復(fù)雜性能狀態(tài)的重要手段?，F(xiàn)代工業(yè)要求退火不僅能軟化冷變形金屬，保證晶粒尺寸，而且還要實(shí)現(xiàn)對金屬材料的晶粒形狀、晶粒取向分布以及特殊各向異性性能的調(diào)整和控制［1］。

TA19 鈦合金名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，屬近α 型鈦合金。具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的抗蠕變性能，主要用于制作航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片和機(jī)匣等［2］。本實(shí)驗(yàn)研究了不同退火制度對TA19 鈦合金大規(guī)格棒材顯微組織和力學(xué)性能的影響，旨在優(yōu)化TA19 鈦合金的熱處理制度，以便為實(shí)際生產(chǎn)中TA19 棒材的工業(yè)化熱處理提供參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為經(jīng)過3 次真空自耗電弧熔煉制備的φ640 mm 的TA19 鑄錠，其化學(xué)成分(見表1)符合GB/T 3620.1 標(biāo)準(zhǔn)要求。采用差熱分析法測得合金的相變點(diǎn)溫度為1 012 ℃。將鑄錠在β 相區(qū)加熱開坯鍛造后，經(jīng)β 相區(qū)、α +β 相區(qū)多火次鍛造、精鍛，最終在α +β 相區(qū)(鍛造溫度970 ℃)鍛造成為φ250 mm 的棒材。

依據(jù)該鑄錠的相變點(diǎn)溫度，分別選用6 種不同的雙重退火制度對熱加工態(tài)棒材進(jìn)行熱處理。雙重退火制度如下:第一階段退火溫度分別為890、915、940、965、990、1 035 ℃，保溫1 h，空冷;第二階段退火溫度均為550 ℃，保溫8 h，空冷。在退火處理后的棒材上切取金相試樣和拉伸試樣，用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。在計(jì)算機(jī)上通過M178 -110331金相分析軟件分析組織中的晶粒尺寸及α 相含量。在萬能拉力試驗(yàn)機(jī)上測試力學(xué)性能。

表1 TA19 鈦合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA19 titanium alloy ingot

3 結(jié)果與討論

3.1 顯微組織

圖1 為φ250 mm 棒材原始狀態(tài)的金相組織。從圖1 中可以看到典型的兩相區(qū)加工組織為由白色α相和黑色基體β 相組成的等軸組織。

圖1 TA19 鈦合金棒材斷面的原始組織Fig.1 Microstructure in cross-section of original TA19 titanium alloy bar

棒材經(jīng)不同退火制度處理后的顯微組織如圖2 所示。從圖中可以看出，TA19 鈦合金在890 ～915 ℃進(jìn)行退火時，由于溫度較低，與β 相轉(zhuǎn)變溫度相差較大，退火處理后顯微組織的類型和初生α 相含量與加工態(tài)相比變化不明顯(圖2a、b);在940 ～990 ℃退火時，隨著熱處理溫度的升高，初生的等軸α 相(白色)逐漸球化，晶粒尺寸有所增大，含量隨著退火溫度的升高有所減少，且由于該溫度處于α-β 兩相區(qū)上部溫區(qū)，β 相(黑色)在冷卻過程中開始轉(zhuǎn)變組織。同時轉(zhuǎn)變β 晶粒尺寸逐漸增大，由初生的等軸態(tài)轉(zhuǎn)化為等軸α+β 轉(zhuǎn)變的雙態(tài)組織(圖2c ～e)。熱處理溫度達(dá)到1 035 ℃時(相變點(diǎn)以上)，等軸α 相完全消失，形成完全由轉(zhuǎn)變β 組成的層片狀魏氏組織(圖2f)。圖3 為通過金相軟件分析得到的TA19 合金棒材經(jīng)過不同溫度熱處理后的α 相含量以及晶粒尺寸?？梢钥闯鰺崽幚頊囟韧ㄟ^影響熱處理過程中α 相向β 相的相轉(zhuǎn)變行為進(jìn)而得到不同的組織形態(tài)。

圖2 退火制度對TA19 鈦合金顯微組織的影響Fig.2 Effect of annealing temperature on microstructure of TA19 titanium alloy

圖3 TA19 鈦合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后α 相含量及晶粒尺寸Fig.3 The content of primary α phase and grain sizeof TA19 titanium alloy bar after different heat treatment

3.2 力學(xué)性能

鍛態(tài)及雙重退火后棒材的室溫拉伸性能如表3所示。由表3 所見，在890 ～915 ℃之間雙重退火，隨著固溶溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高，延伸率和斷面收縮率變化不明顯。在940 ～990 ℃之間雙重退火，隨著固溶溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸下降，延伸率和斷面收縮率逐漸升高。這是因?yàn)殡S著固溶溫度的升高，基體發(fā)生了充分的再結(jié)晶過程，晶粒明顯長大，α 相含量明顯減少，β 相含量明顯增多。當(dāng)固溶溫度升高到β 轉(zhuǎn)變溫度以上時，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率、斷面收縮率明顯下降。這是由于高溫下形成了晶粒粗大且晶界明顯的魏氏組織，所以斷裂時可能發(fā)生沿晶斷裂，塑性明顯下降［3］。室溫拉伸性能測試結(jié)果表明，TA19 鈦合金棒材經(jīng)過(940 ～990)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC 熱處理后獲得的等軸組織和雙態(tài)組織的室溫拉伸性能比魏氏組織的好。

表3 TA19 棒材經(jīng)不同固溶溫度熱處理后的室溫力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the TA19 bar after heat treatment with different solution temperature

4 結(jié) 論

(1)熱處理?xiàng)l件對初始組織為等軸組織的TA19鈦合金的組織形態(tài)和力學(xué)性能有很大的影響，調(diào)節(jié)熱處理溫度，可以控制相變得到不同的組織(等軸、雙態(tài)和魏氏組織)及力學(xué)性能。

(2)TA19 鈦合金棒材組織隨退火溫度的升高逐漸由等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，經(jīng)(940 ～965)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC 熱處理后獲得等軸組織，經(jīng)(965 ～990)℃×1 h/AC +550 ℃×8 h/AC 處理后，獲得雙態(tài)組織。

(3)TA19 鈦合金棒材的較佳熱處理制度為(940～990)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC，經(jīng)該制度處理后力學(xué)性能較好。

［1］龐繼明，李明利，李明強(qiáng)，等. 退火溫度對TA1 鈦管材組織和性能的影響［J］. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(2):26-28.

［2］Wood R A ，F(xiàn)avor R J. 鈦合金手冊［M］. 劉靜安，吳煌良，姚毅，譯. 重慶:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1983:55.

［3］王蕊寧，楊建朝，呂利強(qiáng)，等. 不同熱處理工藝對工業(yè)TC4 合金板材組織和性能的影響［J］. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(6):27 -29.