再次熱處理對TC4-DT鈦合金板材組織及性能的影響

謝英杰，付文杰，周玉川，陳鈞偉，王蕊寧，張 清

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

再次熱處理對TC4-DT鈦合金板材組織及性能的影響

謝英杰，付文杰，周玉川，陳鈞偉，王蕊寧，張 清

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

經(jīng)β退火后的TC4-DT鈦合金板材，其強(qiáng)度未達(dá)到AMS 4905標(biāo)準(zhǔn)要求。為此，在β單相區(qū)和α+β兩相區(qū)分別又進(jìn)行了固溶(冷卻方式分別為空冷和水冷)加時(shí)效處理。觀察了經(jīng)不同工藝熱處理后板材的顯微組織，并對其室溫拉伸性能、斷裂韌性進(jìn)行了測試分析。結(jié)果表明，再次熱處理后板材組織未發(fā)生明顯改變。與空冷態(tài)相比，水冷后的次生α更細(xì)小。與原始β退火相比，水冷后板材的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度增加約70 MPa,同時(shí)斷裂韌性略有減小，延伸率略降至8.5%。經(jīng)再次熱處理后，板材的強(qiáng)度和斷裂韌性均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

鈦合金；再次熱處理；顯微組織；力學(xué)性能

0 引 言

鈦及鈦合金因質(zhì)輕、比強(qiáng)度高而廣泛用作航空承力構(gòu)件。隨著破損-安全設(shè)計(jì)概念和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立,航空器選材判據(jù)發(fā)生了變化[1-3]。這促進(jìn)了高強(qiáng)、高損傷容限(高斷裂韌性、低裂紋擴(kuò)展速率)鈦合金的開發(fā)[4-6]。TC4-DT鈦合金是一種損傷容限型鈦合金，與普通TC4鈦合金相比，它對成分控制更嚴(yán)格，如O含量低(≤0.13%)、Al及V的含量范圍窄。研究表明，TC4-DT鈦合金的力學(xué)性能受顯微組織及氧含量影響強(qiáng)烈。如β晶粒尺寸及形狀、α片層形貌等，為了獲得所希望的片層組織，常用的工藝方法是在α+β兩相區(qū)加工后、在β相變點(diǎn)溫度以上進(jìn)行熱處理或在β相區(qū)完成塑性變形[7-9]。而TC4-DT鈦合金力學(xué)性能對氧含量尤為敏感，應(yīng)嚴(yán)格控制。若氧含量過高，則斷裂韌性不合的風(fēng)險(xiǎn)大增；而氧含量太低，對于厚度達(dá)到50 mm或以上的板材，經(jīng)β退火處理后可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度過低而達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂韌性則裕量充足的現(xiàn)象。對于這類板材能否通過再次熱處理，使斷裂韌性略有下降同時(shí)強(qiáng)度較大幅度提高，以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，有待于通過熱處理工藝摸索和實(shí)際驗(yàn)證。

為此，本實(shí)驗(yàn)從β退火處理后強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的TC4-DT鈦合金厚板上取樣，進(jìn)行不同工藝制度的β單相區(qū)和α+β兩相區(qū)再次熱處理試驗(yàn)，研究再次熱處理對TC4-DT鈦合金組織和性能的影響，探討使這類板材達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的處理方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為力學(xué)性能不符合AMS 4905標(biāo)準(zhǔn)要求的TC4-DT鈦合金板材，其主要的化學(xué)成分(w/%)為：Al 5.90～6.30，V 3.90～4.30，O 0.07～0.11。采用金相法測得相變點(diǎn)Tβ=(970±5) ℃。該板材的加工過程為：真空自耗熔煉的鑄錠(直徑720 mm)經(jīng)鍛造后，在α+β兩相區(qū)軋制到90 mm厚，空冷至室溫，然后進(jìn)行995 ℃×1 h/AC+730 ℃×2.5 h/AC的β熱處理(固溶加時(shí)效處理)。

表1為TC4-DT鈦合金板材經(jīng)初次β處理后的室溫拉伸性能及斷裂韌性。可以看出，板材的塑性及斷裂韌性良好，滿足AMS 4905標(biāo)準(zhǔn)要求，但其室溫拉伸強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。為了提高板材強(qiáng)度使之滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且同時(shí)保持塑性尤其是斷裂韌性基本不降低，從已β退火的TC4-DT鈦合金板材上取樣，在β單相區(qū)和α+β兩相區(qū)分別進(jìn)行了再次熱處理，具體的工藝制度如表2所示。

表1 TC4-DT鈦合金板材初次β熱處理后的拉伸性能及斷裂韌性

表2 TC4-DT鈦合金板材的再次熱處理工藝

Table 2 Re-heat treatment processes of TC4-DT titanium alloy plate

對再次熱處理后的板材進(jìn)行力學(xué)性能測試，其中橫向室溫拉伸試驗(yàn)采用φ5 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，斷裂韌性測試采用C-T試樣(厚度30 mm)。拉伸性能檢測設(shè)備為Instron-1185 材料試驗(yàn)機(jī)。采用光學(xué)顯微鏡OLYMPUS MPG3觀察熱處理后板材的顯微組織，采用JSM6460掃描電鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 再次熱處理對顯微組織的影響

TC4-DT鈦合金板材熱軋后及初次β熱處理的組織分別如圖1和圖2所示。可以看出，板材熱軋態(tài)組織為典型的α+β兩相區(qū)變形組織，由等軸α、長條α和β轉(zhuǎn)組成；而且組織已充分破碎、細(xì)化，等軸α的平均大小為25～30 μm。而經(jīng)初次β熱處理后，顯微組織由片層狀魏氏體及晶間α組成。

圖1 TC4-DT鈦合金板材的熱軋態(tài)組織Fig.1 Microstructure of hot-rolled TC4-DT titanium alloy plate

圖2 TC4-DT鈦合金板材初次β熱處理后的顯微組織Fig.2 Microstructure TC4-DT titanium alloy plate after the first β annealing

圖3為TC4-DT鈦合金板材再次熱處理后的顯微組織。可以看出，不論是在β單相區(qū)還是α+β兩相區(qū)進(jìn)行再次熱處理后，板材的顯微組織未發(fā)生顯著改變，均由片層狀魏氏體及晶間α組成；其差異主要在于晶界α和片層α的大小及片層寬度不同。與初次β退火后的組織(圖2)相比，經(jīng)工藝1再次β熱處理后，晶界α和片層α更細(xì)小,見圖3a。而在α+β兩相區(qū)再次熱處理后，隨著冷卻速度的增加，次生α數(shù)量增多,見圖3b～c；與工藝1相比，工藝2和工藝3的α片層更寬。

圖3 TC4-DT鈦合金板材再次熱處理后的顯微組織Fig.3 Microstructures of TC4-DT titanium alloy after re-heat treatments

2.2 再次熱處理對力學(xué)性能的影響

表3為板材經(jīng)再次熱處理后的力學(xué)性能。其中，表中數(shù)值均為每組兩個(gè)試樣測試結(jié)果的平均值。

表3 再次熱處理后TC4-DT鈦合金板材拉伸性能及斷裂韌性

Table 3 Tensile and fracture toughness properties of TC4-DT titanium alloy after re-heat treatments

對比表3與表1可以看出，經(jīng)再次熱處理后，TC4-DT鈦合金板材的強(qiáng)度提高、塑性及斷裂韌性降低。按工藝1 再次β熱處理后，試樣的性能變化最小，強(qiáng)度略有提高(提高22～25 MPa)，與標(biāo)準(zhǔn)要求相比，富余量僅約20 MPa；延伸率和斷裂韌性略有降低，分別為10.5%、102 MPa·m1/2。 由于α+β兩相區(qū)再次熱處理后，次生α片層的增多有利于強(qiáng)度的提高，因而與工藝1相比，工藝2和工藝3的板材強(qiáng)度的提高幅度更大。而由于固溶后空冷使α片層長大、變寬，這將引起強(qiáng)度降低，因而工藝2板材的性能與工藝1的基本相當(dāng)，強(qiáng)度略有增加，塑性和斷裂韌性變化不大。由于比工藝2獲得了更多的次生α且α片層更加細(xì)小，因而工藝3的強(qiáng)度增加最多，約為70 MPa；其塑性較低，為8.5%，但仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而斷裂韌性為100 MPa·m1/2，富余量較大，比標(biāo)準(zhǔn)要求高出約10%。

2.3 斷口形貌

經(jīng)SEM觀測后，發(fā)現(xiàn)初次β熱處理和3種再次熱處理后的拉伸試樣斷口形貌基本一致，其典型形貌如圖4所示。圖4a為拉伸試樣斷口的宏觀形貌，可以看出，整個(gè)斷口由光滑表面及粗糙表面組成。這表明按上述工藝退火后的試樣，斷裂方式包括兩種，分別是沿晶斷裂和穿晶斷裂。圖4b為拉伸試樣斷口的微觀形貌，可以看出，在粗糙表面上可觀測到塑性韌窩、孔洞，這表明斷裂機(jī)制是微孔聚合模式。而大量塑性韌窩、孔洞的存在說明發(fā)生了典型的穿晶斷裂。而在光滑表面，可觀測到微剪切滑移帶的存在，這表明斷裂機(jī)制是沿晶斷裂模式。而且在剪切帶之間還分布著一些小韌窩，為典型的韌性斷裂特征[10]。

圖4 拉伸試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology of tensile fracture surface

3 結(jié) 論

(1) 對于經(jīng)β退火處理后強(qiáng)度過低而達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷裂韌性裕量充足的TC4-DT鈦合金厚板，可以通過β單相區(qū)或α+β兩相區(qū)再次熱處理的方法使其性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 采用α+β兩相區(qū)再次熱處理(工藝3)，固溶后冷卻方式為水淬，TC4-DT鈦合金板材獲得了最佳的綜合性能匹配，強(qiáng)度和斷裂韌性均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]曹春曉.選材判據(jù)的變化與高損傷容限鈦合金的發(fā)展[J].金屬學(xué)報(bào)，2002，38 (增刊1):4-6.

[2]朱知壽,馬少俊，王新南，等.TC4-DT損傷容限型鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展特性的研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2005,22(6):10-12.

[3]Yu Yang,Hui Songxiao,Ye Wenjun,et al.Mechanical properties and microstructure of anα+βtitanium alloy with high strength and fracture toughness[J].Rare Metals，2009，28(4)：346-349.

[4]Lütjering G.Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α+β) Titanium alloys[J].Material Sciences and Engineering A，1998，243：32-45.

[5]Wanhill R J H.Ambient temperature crack growth in Titanium alloys and its significance for aircraft structures[J].Aero-nautical Journal,1977,81: 68-82.

[6]Sinha V,Soboyejo W O.An investigation of effects of colony microstructure on fatigue crack growth in Ti-6Al-4V[J].Materials Science and Engineering A,2001,319 (12): 607-612.

[7]Li Shikai,Xiong Baiqing,Hui Songxia.Effects of cooling rate on the fracture properties of TA15 ELI alloy plates[J].Rare Metals，2007，26(1): 33-38.

[8]李輝，趙永慶，曲恒磊，等.損傷容限型TC4-DT合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)學(xué)描述[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2007，24(4): 31-34.

[9]張旺峰,曹春曉,李興無,等.β熱處理TA15鈦合金對力學(xué)性能的影響規(guī)律[J].稀有金屬材料與工程,2004,33(7):768-770.

[10]馬英杰，劉建榮，雷家峰，等.多重?zé)崽幚韺C4合金的組織和力學(xué)性能的影響[J].材料研究學(xué)報(bào),2008,22(5):555-560.

國內(nèi)外新聞

Effects of Re-heat Treatment on Microstructure and Mechanical Property of TC4-DT Titanium Alloy Plates

Xie Yingjie,Fu Wenjie,Zhou Yuchuan,Chen Junwei,Wang Ruining,Zhang Qing

(Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201，China)

The tensile properties ofβannealed TC4-DT titanium alloy plates could not meet the standard requirements, so solution and aging treatment in singleβphase region andα+βphase region were performed. The microstructure, room-temperature tensile properties and fracture characteristics under different treated conditions were investigated. The results show that the microstructure of the samples after re-heat treatment has no remarkable changes. Compared to that of the samples by the air cooling, the refiner secondaryαis attained by water cooling. The tensile strength and yield strength of the samples by water quenching increase by about 70 MPa compared with the originalβannealed samples, whereas the fracture toughness slightly decreases, and the elongation is 8.5%. Thus the good performance matching is achieved.

titanium alloy；re-heat treatment；microstructure；mechanical property

2015-01-19

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012KTZB

謝英杰(1976—)，男，高級(jí)工程師。

01-03-04)