T C 4鈦合金φ450 mm棒材不同厚度整體試樣熱處理工藝研究

供稿|董潔, 王永梅, 張永強, , 王韋琪, 張平輝, / DONG Jie, WANG Yong-mei, ZHANG Yong-qiang, , WANG Wei-qi, ZHANG Ping-hui,

TC4鈦合金是目前應用最廣的一種α+β型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量的50%以上，它含有6%的α穩(wěn)定元素Al及4%的β穩(wěn)定元素V，具有優(yōu)異的綜合性能，在航空航天工業(yè)已經獲得廣泛應用[1]。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，為了提高結構效益、延長使用壽命，在新型飛機設計與制造中采用了許多大型整體鍛件，因而提出了鈦合金大規(guī)格棒材的需求，需要使用直經為450 mm的TC4大規(guī)格棒材，且要求棒材的高溫強度≥615 MPa[2]。要使得TC4鈦合金 φ450 mm大規(guī)格棒材整體試樣熱處理后的力學性能和顯微組織符合GJB 1538標準φ100 mm棒材的要求，分別對整體試樣厚度為80、40、20 mm進行了熱處理工藝研究。

實驗

實驗材料

實驗材料采用寶鈦集團生產的TC4鈦合金φ450 mm棒材。生產棒材選用的TC4鑄錠，錠型φ940 mm，錠重8000 kg。鑄錠經3次真空自耗電弧爐熔煉，化學成分符合GB/T 3620，α+β/β相的轉變溫度為990～1010℃。φ450mm棒材鍛造工藝為鑄錠開坯采用鐓-拔工藝，開坯鍛造后經過一次“高低高”鍛造，而后在相變點以下30～50℃采用拔長變形，變形量大于85%，鍛成φ450 mm棒材，棒材的顯微組織見圖1。從成品棒材上分別切厚度為80、40、20 mm的整體試樣進行熱處理工藝研究。

圖1 φ450 mm棒材原始橫向顯微組織

表1 熱處理工藝方案

實驗方法

分別在厚度為80、40、20 mm的整體試樣上按表1的4種熱處理制度進行室溫、高溫性能和顯微組織觀察和分析。

實驗結果

室溫力學性能

分別把80、40、20 mm的整體試樣，按表1的熱處理制度進行整體處理，在試樣的R/2處取橫向樣，進行室溫力學性能測試，實驗結果見表2。

表2 熱處理制度對棒材室溫力學性能的影響

由表2的結果可知：80 mm厚的整體試樣，按熱處理制度1和2處理后，室溫強度不能滿足要求；按熱處理制度3處理后，室溫強度基本滿足要求，但毫無富余量；按熱處理制度4處理后，室溫強度滿足要求，且一定的富余量，但伸長率有明顯降低。40 mm厚的整體試樣，按熱處理制度1、2、3處理后，室溫強度和塑性都能滿足要求，且性能相差不大；按熱處理制度4處理后，室溫強度有大幅度的提高，且塑性值無明顯降低。20 mm厚的整體試樣，按熱處理制度1、2、3處理后，室溫強度和塑性都能滿足要求，且性能相差不大；按熱處理制度4處理后，室溫強度有大幅度的提高，且塑性值無明顯降低。

綜合看來，不同厚度的試樣按前3種熱處理制度處理后，室溫強度和塑性無明顯變化；按熱處理制度4處理后，室溫強度提高60～100 MPa，伸長率降低3%～5%；隨著整體試樣厚度越來越薄，按熱處理制度4處理后，強度和塑性變化越顯著。

高溫力學性能

分別把80、40、20 mm的整體試樣，按表1的熱處理制度進行整體處理，在試樣的R/2處取橫向樣，進行400℃高溫力學性能測試，實驗結果見表3。

表3 熱處理制度對棒材400℃高溫力學性能的影響

由表3可知，80 mm試樣坯按各種熱處理制度處理后，高溫強度都不能滿足使用要求，且持久性能也沒有完全達標。這是由于試樣坯過厚，冷卻速度慢，α相有充分的時間聚集、再結晶形成等軸α，因此高溫強度不能滿足使用要求。

40 mm試樣坯按1，2兩種熱處理制度處理后，高溫性能不能滿足使用要求。比較3，4兩種熱處理制度，發(fā)現經工藝方案4固溶水冷雙重退火后，高溫拉伸和持久性能良好，可穩(wěn)定滿足指標的規(guī)定；與工藝方案3固溶后空冷的冷卻方式比較，合金的高溫抗拉強度可提高20～30 MPa，且高溫塑性沒有降低。

20 mm厚整體試樣進行雙重熱處理后，當固溶后采用空冷時，高溫強度和高溫持久可滿足指標，但高溫強度基本無富余量；當固溶后采用水冷時，棒材高溫拉伸和持久性能良好，均可穩(wěn)定滿足指標規(guī)定，且高溫抗拉強度可提高70～100 MPa，且高溫塑性沒有降低。強度大幅度提高的原因是受冷卻速度快的影響，產生彌散的強化相，符合強化機理[3]。

顯微組織

分別把80、40、20 mm的整體試樣，按表1的熱處理制度進行整體處理，在試樣坯的R/2處取橫向高倍試樣，圖2～圖5為4種不同熱處理制度的顯微組織照片。

圖2 不同厚度試樣坯750℃/2h.AC橫向顯微組織

圖3 不同厚度試樣坯950℃/2h.AC橫向顯微組織

圖4 不同厚度試樣坯950℃/2h.AC+750℃/2h.AC橫向顯微組織

由圖可見，80 mm厚試樣坯經前3種熱處理制度處理后，棒材橫截面上顯微組織均勻性良好，均為等軸組織，經950℃/2h.WC +750℃ /2h.AC雙重退火后，棒材橫截面的組織均勻性良好，均為等軸組織，有少量彌散相。

圖5 不同厚度試樣坯950℃/2h.WC+750℃/2h.AC橫向顯微組織

40 mm厚試樣坯經前3種熱處理制度處理后，棒材橫截面上顯微組織均勻性良好，均為等軸組織，經950℃/2h.WC +750℃ /2h.AC雙重退火后，棒材整個橫截面的組織均勻性良好，均為等軸組織，且彌散相較多。

20 mm厚試樣坯經前2種熱處理制度處理后，棒材橫截面上顯微組織均勻性良好，均為等軸組織。試樣坯經雙重退火后，當固溶后采用空冷時，棒材橫截面的組織均勻性良好，均為等軸組織，受冷卻速度的影響，已有彌散相產生；當固溶后采用水冷時，顯微組織也為等軸組織，由于冷卻速度的大幅增加，彌散相沒有完全分解，迅速被保留至室溫，形成了次生α相較多的顯微組織形貌[4]。

總體來說，按前2種制度熱處理時，試樣坯厚度對顯微組織的影響不明顯，都為均勻的等軸組織。當采用雙重退火時，試樣坯厚度與固溶冷卻速度對顯微組織形貌影響程度明顯增加，試樣坯厚度越薄、固溶冷卻速度越快，彌散相顯著增加，次生α相含量增加，初生α相含量減少。

結束語

TC4鈦合金 φ450 mm大規(guī)格棒材不同厚度整體試樣坯的不同熱處理方案對力學性能和顯微組織的影響研究表明：

（1）再結晶退火、固溶熱處理和雙重退火對力學性能的影響效果與試樣坯厚度以及固溶冷卻速度密切相關；

（2）整體試樣坯厚度不小于80 mm時，無論采用何種方式進行熱處理，大規(guī)格棒材的高拉強度均不能滿足615 MPa的指標要求；

（3）整體試樣坯厚度不大于40 mm時，熱處理效果隨固溶冷卻速度變化明顯，加快固溶冷卻速度，將明顯提高合金的強度；

（4）采用雙重退火（固溶后水冷）是TC4鈦合金φ450 mm大規(guī)格棒材室溫力學性能、高溫拉伸和高溫持久等各項性能穩(wěn)定滿足要求的首選熱處理方案。

[1]張喜燕，趙永慶，白晨光. 欽合金及應用. 北京:化學工業(yè)出版社，2005:21-71.

[2]Ding R, Guo Z X. Micro-structural evolution of a Ti6A14V alloy during phase processing: Experimental and simulation investigate.Material Science and Engineering A, 2003, 365(2): 172-179.

[3]李書常.熱處理使用淬火介質精選.北京:化學工業(yè)出版社，2009:1-2.[4]張志強，董利民，劉羽寅，等. 大規(guī)格TC4欽合金絲材直徑對固溶時效顯微組織和力學性能的影響. 中國有色金屬學報，2010，20（專輯1）：674-677.