固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織和力學性能的影響

徐建偉，邊麗虹，薛 強，曾衛(wèi)東

(1.西北工業(yè)大學 凝固技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710072)(2.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)(3.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)

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固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織和力學性能的影響

徐建偉1，邊麗虹2，薛 強3，曾衛(wèi)東1

(1.西北工業(yè)大學 凝固技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710072)(2.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)(3.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)

研究了固溶溫度對TA19鈦合金棒材顯微組織和力學性能的影響規(guī)律。結果表明：隨著固溶溫度的升高，等軸α相含量下降較快，大致呈先快后慢的雙線性下降變化趨勢，而等軸α相尺寸變化較小，大致呈線性下降；β相在固溶過程中發(fā)生再結晶，且再結晶晶粒隨固溶溫度升高而長大。TA19鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度隨固溶溫度的升高而降低，延伸率和斷面收縮率基本保持在同一水平上，其強度的變化主要受滑移長度的影響，合金元素分配作用所引起的基體弱化對強度也有一定的作用。

TA19鈦合金；固溶溫度；顯微組織；力學性能

0 引 言

TA19鈦合金是在Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金基礎上開發(fā)出來的一種近α型高溫鈦合金[1-2]，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si。該合金具有高強度、高韌性及良好的抗蠕變性能，主要用于制造航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片和機匣，使用溫度可達550 ℃[3-4]。眾所周知，鈦合金的力學性能對微觀組織的變化非常敏感，而微觀組織往往取決于熱加工工藝和熱處理制度[5-6]。熱加工工藝和熱處理制度對合金力學性能的改善主要是通過調(diào)節(jié)顯微組織參數(shù)(如相含量、尺寸以及初生相與次生相的比例)完成的，顯微組織的合理匹配對鈦合金性能的發(fā)掘有著重要作用[7-8]。關于熱加工工藝參數(shù)和熱處理制度對鈦合金顯微組織的影響，國外學者進行了大量研究[9-11]，國內(nèi)學者也進行了相關研究，但是針對TA19鈦合金的研究國內(nèi)相對較少[12-15]。

鑒于該合金在航空發(fā)動機上的巨大應用潛力，本研究擬對比分析不同固溶溫度下TA19鈦合金顯微組織的變化，以及固溶溫度對力學性能的影響，探索其內(nèi)在機理，總結固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織和力學性能的影響規(guī)律，從而為TA19鈦合金的理論研究和實際生產(chǎn)提供一定的實驗依據(jù)。

1 實 驗

實驗用材料為西部超導材料科技股份有限公司提供的在α+β兩相區(qū)鍛造得到的φ200 mm TA19鈦合金棒材，其化學成分(w/%)為Al 6.3，Sn 2.1，Zr 4.2，Mo 2.0， O 0.11，N 0.008，H 0.002，Si 0.08，余量為Ti，用金相法測得其相轉變溫度為(1 011±5)℃。TA19鈦合金棒材原始鍛態(tài)組織如圖1所示。

圖1 TA19鈦合金棒材的原始鍛態(tài)組織

從圖1可以看出，其顯微組織為典型等軸組織，等軸α相含量(體積分數(shù)，下同)約為91%，平均直徑為12.8 μm，表明棒材是在兩相區(qū)完成終鍛的。β轉變基體上分布著球狀和短棒狀的初生α相，部分α相為扭曲狀，呈現(xiàn)出變形的痕跡。

在變形后棒材上切取餅坯，分別在966、976、986、996 ℃固溶1 h空冷后，進行595 ℃×8 h/AC時效處理。在經(jīng)熱處理后的餅坯上切取金相試樣和拉伸試樣。采用XJG-05型光學顯微鏡觀察其顯微組織，并用Image-Proplus 6.0軟件分析計算α相含量及尺寸。拉伸試樣根據(jù)GB/T 228—2002加工成標距為50 mm的標準試樣，在SUN20電子萬能拉伸試驗機上進行力學性能測試。

2 結果與分析

2.1 固溶溫度對顯微組織演變的影響

TA19鈦合金棒材經(jīng)不同制度熱處理后的顯微組織如圖2所示。與鍛態(tài)組織相比，熱處理后其組織形貌、α相含量和尺寸都發(fā)生了較大的變化。當固溶溫度為966 ℃時(圖2a)，鍛態(tài)組織中變形產(chǎn)生的細小α相完全溶入β基體，等軸α相數(shù)量比鍛態(tài)明顯減少，較大的等軸α相由于固溶球化的作用邊緣變得光滑，尺寸略有增加，這可能與相轉變過程中由Oswald機制導致的相合并有關[16]。

圖2 經(jīng)不同制度熱處理后TA19鈦合金棒材的顯微組織

當固溶溫度為976 ℃時(圖2b)，更多的等軸α相溶于β基體中，α相含量明顯下降，邊緣更加圓滑。從圖2b還可以看出，β相開始發(fā)生再結晶，等軸α相沿再結晶β相晶界分布，隱約勾勒出β晶粒的輪廓，β晶粒內(nèi)部析出了較明顯的片狀α相，其原因可能與等軸α相間距大于β晶粒臨界亞晶尺寸有關[17]。隨著固溶溫度的進一步升高，等軸α相含量減少，且顆粒尺寸因α相溶解于β基體而減小，β再結晶晶粒長大，許多等軸α相沿β再結晶晶界分布，清晰地勾勒出β晶粒的輪廓，β晶粒內(nèi)部析出的片狀α相變長、變粗。

為了更加詳細地研究微觀組織的演變，對等軸α相的含量和尺寸進行了定量分析，結果如圖3所示。

圖3 TA19鈦合金棒材中等軸α相含量和尺寸隨固溶溫度的變化規(guī)律

從圖3可以看出，隨著固溶溫度的升高，等軸α相含量和尺寸都呈現(xiàn)下降趨勢。等軸α相含量隨固溶溫度的變化非常明顯，以976 ℃為界大致呈雙線性下降，下降速率先快后慢。當固溶溫度從966 ℃升高到976 ℃時，等軸α相含量下降了約24%，從976 ℃升高到996 ℃時，等軸α相含量由41%下降到18%，下降幅度為23%。這表明TA19鈦合金中等軸α相含量對固溶溫度的變化比較敏感。為了保證等軸α相含量在一個合適的水平內(nèi)，固溶溫度的選擇區(qū)間很窄，特別要注意對加熱爐精度和均勻性等嚴格控制。與等軸α相含量相比，等軸α相尺寸的變化相對較小，大致呈線性下降趨勢。當固溶溫度從966 ℃升高到996 ℃，等軸α相的平均直徑由13.5 μm下降到10.2 μm，下降了3.3 μm?？梢?，等軸α相含量受固溶溫度的影響更大，而晶粒尺寸受固溶溫度影響相對較小。等軸α相含量隨固溶溫度升高急劇減少的主要原因是大量等軸α相溶解，造成等軸α相數(shù)量減少，而對尺寸的影響較小。

2.2 固溶溫度對室溫拉伸性能的影響

TA19鈦合金棒材經(jīng)過不同制度熱處理后的室溫拉伸性能如表1所示。由表1可見，在966～996 ℃之間對TA19鈦合金棒材進行固溶時效處理，固溶溫度對強度的影響較大，對塑性的影響并不明顯。隨著固溶溫度的升高，合金的抗拉強度和屈服強度逐漸下降，且下降幅度呈先慢后快的趨勢。當固溶溫度從966 ℃上升到976 ℃時，抗拉強度和屈服強度略有下降，處于同一水平；固溶溫度從976 ℃上升到996 ℃時，抗拉強度和屈服強度分別下降了64 MPa和75 MPa，下降趨勢明顯。反之，固溶溫度對延伸率和斷面收縮率的影響不大，處于同一水平。

表1 TA19鈦合金棒材的室溫拉伸性能

從本研究中的室溫拉伸實驗結果可以看出，TA19鈦合金在966～996 ℃之間固溶時，隨著固溶溫度的升高，抗拉強度和屈服強度降低，延伸率和斷面收縮率變化不大，與文獻[18]的研究結果一致。根據(jù)文獻[19]的相關理論，兩相區(qū)組織的室溫強度與滑移長度和合金元素的分配作用有關，滑移長度越長，強度越低。據(jù)此分析，隨著固溶溫度的升高，等軸α相含量減少，α相之間的間距變大，變形過程中滑移長度變大，因而室溫拉伸強度降低。此外，在Ti-6242S合金中，隨著固溶溫度的升高，合金元素的分配作用使β相中的Mo元素明顯減少，Al元素略有增加[11]，從而導致β轉變基體強度減弱，也可能造成室溫拉伸強度的降低。另一方面，等軸α相含量對TA19鈦合金延伸率和斷面收縮率的影響較小，當?shù)容Sα相含量從18%增加到65%時，合金的延伸率和斷面收縮率變化幅度很小，說明等軸α相含量對合金塑性的影響很小。等軸α相含量在20%～80%范圍內(nèi)，材料的延伸率和斷面收縮率變化不明顯，而當?shù)容Sα相含量低于20%時，其延伸率和斷面收縮率開始出現(xiàn)明顯變化[20]。王玉會等人[21]在研究TA15鈦合金的熱處理行為時，也得到了類似的結論。

3 結 論

(1)隨著固溶溫度的升高，TA19鈦合金棒材鍛態(tài)組織中更多的細小α相完全溶入β基體，等軸α相數(shù)量明顯減少，較大的等軸α相由于固溶球化的作用邊緣變得更加光滑，基體β相發(fā)生再結晶，再結晶晶粒逐漸長大。

(2)等軸α相含量隨固溶溫度的升高呈先快后慢的雙線性下降趨勢，等軸α相尺寸隨固溶溫度的升高大致呈線性下降趨勢，但相比于等軸α相含量，等軸α相尺寸的變化較小。

(3)TA19鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度隨固溶溫度的升高而降低，延伸率和斷面收縮率隨固溶溫度的升高變化不明顯。這主要是由于合金強度變化受滑移長度以及合金元素分配作用引起的基體弱化作用的影響。

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“一種用于線材的浸入式槽型循環(huán)水冷裝置”發(fā)明專利

申請?zhí)枺?CN201210520004 申請日： 2012-12-03 公開(公告)日： 2013-04-03

公開(公告)號： CN103014584A 申請(專利權)人： 西部超導材料科技股份有限公司

摘要：本發(fā)明公開了一種用于線材的浸入式槽型循環(huán)水冷裝置，其中循環(huán)冷卻干燥裝置設置在位置調(diào)節(jié)裝置上，位置調(diào)節(jié)裝置設置在帶有長條孔的底座上。其有益效果為：結構緊湊，節(jié)約空間，無需泵等專門的工具促使水流動，節(jié)省成本，同時可獲得均勻的冷卻效果，保證物料表面質(zhì)量，且經(jīng)濟簡單實用。此外，還設有風干箱用于對試干的線材給予充分的冷卻干燥。利用槽型循環(huán)水浸方式冷卻，再通過拭干裝置和風冷干燥裝置可使線材完全冷卻干燥，且冷卻均勻、迅速。

Effect of Solution Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of TA19 Titanium Alloy

Xu Jianwei1, Bian Lihong2, Xue Qiang3, Zeng Weidong1

(1. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)(2. Shenyang Liming Aero-Engine (Group) Co. ,Ltd. ，Shenyang 110043, China)(3. AVIC Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Co. ,Ltd. , Xianyang 713801，China)

The effects of solution temperature on microstructure and mechanical properties of TA19 titanium alloy bar were investigated in this paper. The results show that the volume of equiaxiedαphase decreases rapidly and appears first quick back slow trend. In contrast to the volume of equiaxiedαphase, the size of equiaxiedαphase decreases slowly with solution temperature, and exhibits a similar linear relationship. In addition, recrystallization ofβphase occurs during solution treatment. The recrystallized grain size increases with the increasing temperature. Ultimate tensile strength and yield strength of TA19 titanium alloy bar decrease with the increasing solution temperature. However, the elongation and reduction of area hold a stable state with the changes in solution temperature. Such changes of strength are mainly influenced by slip length. Furthermore, the weakening of matrix caused by distribution of elements also plays a certain role.

TA19 titanium alloy; solution temperature; microstructure; mechanical properties

2015-10-14

教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”項目(NCET-07-0696)

曾衛(wèi)東(1969—), 男，教授，博士生導師。

TG166.5

A

1009-9964(2015)06-0027-04