熱處理對(duì)TC16鈦合金棒材顯微組織和力學(xué)性能的影響

李英浩，賀 飛，侯峰起，王飛云，何 星，賴運(yùn)金，劉向宏

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

(2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110035)

0 引言

TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)鈦合金是一種緊固件專用鈦合金，具有比強(qiáng)度高，對(duì)缺口、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力集中敏感性小，耐蝕性良好和無磁性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1－2］。TC16鈦合金緊固件主要有熱鐓和冷鐓兩種制備方法，采用冷鐓技術(shù)不需要使用加熱設(shè)備和保護(hù)介質(zhì)，生產(chǎn)效率高，而且生產(chǎn)的TC16鈦合金緊固件力學(xué)性能好，精度高，表面質(zhì)量好，特別適合大批量生產(chǎn)［3－4］。研究表明，材料的冷鐓變形能力與塑性、剪切強(qiáng)度和組織有關(guān)［5－6］。吳崇周、李興無等認(rèn)為TC16鈦合金網(wǎng)籃組織和等軸組織在一定條件下都可以按1∶4的冷鐓比進(jìn)行冷鐓［7］。由于在工業(yè)化生產(chǎn)中等軸組織比網(wǎng)籃組織更易控制，因此本工作主要通過調(diào)整具有等軸組織的TC16鈦合金棒材的熱處理制度來優(yōu)化棒材的顯微組織和力學(xué)性能，為工業(yè)化生產(chǎn)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為軋制生產(chǎn)的φ9.5 mm TC16鈦合金棒材，其化學(xué)成分如表1所示。采用金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為870～875℃。將φ9.5 mm的TC16鈦合金棒材在西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司的箱式電阻爐內(nèi)按照表2中的試驗(yàn)方案進(jìn)行熱處理，采用Instron-4507拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)檢測(cè)熱處理前后棒材的力學(xué)性能。采用LEICA MEF4A倒立金相顯微鏡觀察熱處理前后棒材的組織形貌。

表1 TC16鈦合金棒材的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC16 titanium alloy bars

表2 TC16鈦合金棒材熱處理試驗(yàn)方案Table 2 Heat treatment schedules of TC16 titanium alloy bars

2 結(jié)果與討論

2.1 TC16鈦合金棒材加工態(tài)顯微組織

TC16鈦合金棒材加工態(tài)的顯微組織見圖1。從圖中可以看出，顯微組織是由多邊形、橢圓形和短棒狀的初生α相組成的混合組織。

圖1 TC16鈦合金棒材加工態(tài)顯微組織Fig.1 Microstructure of TC16 titanium alloy bars

2.2 熱處理對(duì)TC16鈦合金顯微組織的影響

圖2為TC16鈦合金棒材在780℃保溫2 h，爐冷至不同溫度后空冷的顯微組織。

圖2 TC16鈦合金棒材在780℃保溫2 h，爐冷至不同溫度后空冷的顯微組織Fig.2 Microstructures of TC16 titanium alloy bars after annealing at 780℃for 2 h and cooling to different temperatures

采用熱軋方式制備的TC16鈦合金棒材通常需要通過熱處理消除殘余應(yīng)力，軟化合金，改善綜合性能。研究表明，退火時(shí)TC16鈦合金的塑性因再結(jié)晶程度增加而提高，而后隨著晶粒的長(zhǎng)大而降低［5］。在兩相區(qū)較低溫度下熱處理時(shí)，由于只發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，晶粒仍然很細(xì)小，其塑性較好，強(qiáng)度也較高。因此，TC16鈦合金棒材的熱處理溫度一般選擇780℃左右。

從圖2可以看出，TC16鈦合金的顯微組織對(duì)熱處理出爐溫度比較敏感，在650～450℃溫度范圍內(nèi)，隨著出爐溫度的降低，初生α相比例減小，β轉(zhuǎn)相增加，這與爐冷至不同溫度，亞穩(wěn)β組織中次生相的析出、長(zhǎng)大程度不同有關(guān)。當(dāng)出爐溫度為530℃(A4)時(shí)，顯微組織的均勻性最好。

圖3為TC16鈦合金棒材經(jīng)過不同雙重?zé)崽幚砗蟮娘@微組織。從圖3可以看出，隨著第二級(jí)退火溫度的降低，初生α相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)均明顯下降。這是因?yàn)樵嚇映叽巛^小(φ9.5 mm)，第一級(jí)780℃退火后，冷卻速度較快，次生α相未能完全轉(zhuǎn)變析出，在第二級(jí)退火的保溫過程中，溫度越低越不利于再結(jié)晶和回復(fù)，導(dǎo)致初生α相尺寸較小，等軸化程度較低，次生α相也難以長(zhǎng)大。

圖3 TC16鈦合金棒材經(jīng)過不同雙重?zé)崽幚砗蟮娘@微組織Fig.3 Microstructures of TC16 titanium alloy bars after different dual heat treatments

圖4為TC16鈦合金棒材在780℃保溫2 h后經(jīng)不同方式冷卻的顯微組織。由圖4可見，冷卻方式對(duì)顯微組織的影響并不明顯，只是水冷后(方案C2)初生α相的比例有所下降;而爐冷至530℃后空冷(方案A4)初生α相略粗大些。原因是不同冷卻方式冷卻到室溫所需時(shí)間不同，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大程度不同。

圖4 TC16鈦合金棒材在780℃保溫2 h后采用不同方式冷卻的顯微組織Fig.4 Microstructures of TC16 titanium alloy bars at different cooling rates

2.3 熱處理對(duì)TC16鈦合金棒材力學(xué)性能的影響

研究表明，熱處理可以使TC16鈦合金獲得較低的強(qiáng)度和較高的塑性［5］。φ9.5 mm TC16鈦合金棒材經(jīng)過不同制度熱處理后的室溫力學(xué)性能如圖5所示。圖5a為TC16鈦合金棒材熱加工態(tài)與在780℃保溫2 h后爐冷到不同溫度(450～650℃)后空冷的室溫力學(xué)性能對(duì)比圖。從圖5a可以看出，與加工態(tài)相比，經(jīng)過熱處理后的TC16鈦合金棒材力學(xué)性能變化非常明顯，抗拉強(qiáng)度Rm降幅約為20%，剪切強(qiáng)度τ降幅約為10%，而塑性指標(biāo)延伸率A和斷面收縮率Z則明顯提升，尤其是A。對(duì)于熱處理前后的性能變化規(guī)律，圖5b、c與圖5a是一致的。這是由于鈦合金在熱加工過程中發(fā)生了加工硬化，存在大量變形位錯(cuò)，塞積在晶界和晶內(nèi)，使得合金強(qiáng)度增加，塑性降低。這些位錯(cuò)在熱處理過程中重新排列或相互抵消，同時(shí)初生α相發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致室溫拉伸和剪切強(qiáng)度下降，塑性提升。而延伸率變化更加顯著的原因是加工態(tài)TC16鈦合金棒材組織均勻性較差(見圖1)，通過熱處理后，組織的整體均勻性得到了很大改善，有助于提高合金的延伸率。從圖5中還可以看出，爐冷溫度在650～450℃時(shí)，隨著出爐溫度的下降，強(qiáng)度和塑性均呈現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象，熱處理制度為A4時(shí)，TC16鈦合金棒材的強(qiáng)度和塑性匹配最好，這與A4狀態(tài)的顯微組織均勻性最好相符。從整體趨勢(shì)來看，無論是強(qiáng)度還是塑性，6種爐冷狀態(tài)的性能差異并不大。

圖5 TC16鈦合金棒材經(jīng)過不同制度熱處理后的室溫力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties at room temperature of TC16 titanium alloy bars after different heat treatments

圖5b為TC16鈦合金棒材加工態(tài)與不同溫度雙重?zé)崽幚砗蟮氖覝亓W(xué)性能對(duì)比圖。從圖5b可以看出，經(jīng)雙重?zé)崽幚砗?，隨著第二級(jí)退火溫度的下降，TC16鈦合金棒材的室溫強(qiáng)度呈現(xiàn)遞增的現(xiàn)象，而塑性呈現(xiàn)遞減的現(xiàn)象。從圖3中的顯微組織可以看出，經(jīng)過雙重?zé)崽幚砗?，第二?jí)溫度越低，晶粒越細(xì)小，使得強(qiáng)度上升，但由于組織均勻性較差，導(dǎo)致塑性下降。將雙重?zé)崽幚砗蜖t冷處理的TC16鈦合金小棒材的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙重?zé)崽幚砗骉C16鈦合金棒材的強(qiáng)度明顯高于爐冷處理，但塑性有所降低，尤其是第二級(jí)退火溫度為550℃時(shí)。這與初生α相的比例和等軸化程度有關(guān)(見圖3)。

圖5c為TC16鈦合金棒材加工態(tài)與780℃保溫2 h、不同方式冷卻后的室溫力學(xué)性能對(duì)比圖。由圖5c可以看出，不同的冷卻方式對(duì)TC16鈦合金棒材抗拉強(qiáng)度Rm和剪切強(qiáng)度τ的影響不明顯，但水冷時(shí)塑性指標(biāo)A和Z出現(xiàn)極小值。這與冷卻過程中馬氏體的分解和次生相的析出有關(guān)，水冷時(shí)馬氏體未發(fā)生分解，次生相來不及析出(見圖4)，導(dǎo)致塑性下降。TC16鈦合金棒材在780℃保溫2 h，爐冷至530℃后空冷的綜合性能較好。

3 結(jié)論

(1)TC16鈦合金棒材熱處理前后顯微組織和力學(xué)性能均發(fā)生明顯變化，這與熱處理過程中發(fā)生的靜態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。

(2)TC16鈦合金棒材雙重?zé)崽幚砼c爐冷處理相比塑性較低，強(qiáng)度較高;水冷后塑性較低，空冷后強(qiáng)度和塑性均比爐冷低。

(3)TC16鈦合金棒材在780℃保溫2 h，爐冷至530℃后空冷的綜合性能較優(yōu)。

［1］Nielsen L S，Lassen S，Andersen C B.Development of a flexible tool system for small quantity production in cold forging［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，71(1):36－42.

［2］劉風(fēng)雷.我國(guó)航空鈦合金緊固件的發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2000(6):39－40，55.

［3］張振剛，宋昊，吳國(guó)清，等.熱處理工藝與Ti-3Al-5Mo-5V鈦合金顯微組織間的定量關(guān)系［J］.材料工程，2006(增刊1):313－316.

［4］Li L X，Lou Y，Yang L B，et al.Flow stress behavior and deformation characteristics of Ti-3Al-5V-5Mo compressed at elevated tempertures［J］.Materials ＆ Design，2002，23(5):451－457.

［5］吳崇周.退火制度對(duì)TC16鈦合金組織和性能的影響［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊1):94－96.

［6］鮑利索娃E A.鈦合金金相學(xué)［M］.陳石卿，譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

［7］吳崇周，李興無.TC16鈦合金室溫變形特性研究［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2006，23(6):17－19.