熱處理對TC18鈦合金大塊富α相區(qū)的影響

侯智敏，趙永慶，張鵬省，毛小南，尹雁飛，李思蘭

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

熱處理對TC18鈦合金大塊富α相區(qū)的影響

侯智敏1，2，趙永慶1，2，張鵬省2，毛小南2，尹雁飛2，李思蘭2

(1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710072)

(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

對含亮斑缺陷的TC18鈦合金棒材試樣通過EDS能譜及光學(xué)顯微鏡分析缺陷的相組成、尺寸及組織形貌，并利用顯微硬度儀進(jìn)一步分析熱處理對缺陷區(qū)及正常區(qū)顯微硬度的影響。EDS能譜及金相分析表明，亮斑為α相富集區(qū)，并有一定寬度的過渡區(qū)。經(jīng)1 150℃×2 h/WQ均勻化熱處理后，亮斑面積明顯減小，亮斑區(qū)與過渡區(qū)的邊界被弱化。進(jìn)一步經(jīng)840℃×1 h/FC至720℃×1 h/AC+590℃×4 h/AC常規(guī)熱處理后，過渡區(qū)組織與正常區(qū)組織無明顯差別，亮斑區(qū)α相含量比正常區(qū)域稍有增加，組織形貌均為網(wǎng)籃組織。硬度分析表明，1 150℃ β相區(qū)固溶+常規(guī)固溶加時效處理后缺陷區(qū)與正常區(qū)的硬度差別很小，這表明通過β相區(qū)高溫固溶預(yù)處理可以改善TC18鈦合金中的微觀偏析。

TC18鈦合金;α斑;β固溶處理

0 引言

TC18鈦合金是前蘇聯(lián)航空材料研究院于1974年研制成功的一種高強(qiáng)鈦合金［1－2］，牌號為 BT22，名義成分為Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe。該合金屬于過渡型α+β鈦合金，兼有α+β鈦合金和β鈦合金的性能特征，具有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、良好的淬透性和焊接性等優(yōu)點［3－4］。該合金退火后的抗拉強(qiáng)度大于1 080 MPa，是退火狀態(tài)下強(qiáng)度較高的鈦合金，而且在強(qiáng)化熱處理狀態(tài)下其強(qiáng)度可高達(dá)1 280 MPa，因而在各種類型飛機(jī)機(jī)體和起落架的承力結(jié)構(gòu)件上得到了廣泛應(yīng)用［5］，可用于制造在350～400℃下長期工作的機(jī)身、機(jī)翼受力件及緊固件，也可用于制造使用溫度不超過350℃的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇盤和葉片等［6］。

由于TC18鈦合金中β穩(wěn)定元素含量較高，特別是含有極易偏析的Fe元素，因此在熔煉過程中易于出現(xiàn)偏析，導(dǎo)致最終的成品中出現(xiàn)組織不均勻現(xiàn)象，如β斑或大塊的富α相區(qū)。本研究針對TC18鈦合金φ50 mm棒材中出現(xiàn)大塊富α相區(qū)的問題，對其進(jìn)行不同溫度均勻化熱處理，分析熱處理對富α相區(qū)面積及微觀組織的影響。

1 實驗

實驗材料為含有亮斑缺陷的φ50 mm TC18鈦合金精鍛棒材，狀態(tài)為熱處理態(tài)，其熱處理工藝為840℃×1 h/FC至720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC。合金相變點約為945℃。以缺陷區(qū)為中心，沿軸向用線切割從棒材上取φ30 mm×40 mm的試樣。用箱式馬弗爐按照表1中的熱處理制度分別對試樣進(jìn)行熱處理。采用OLYMPUS－PMG3金相顯微鏡對經(jīng)不同熱處理工藝處理后的合金中不同區(qū)域的組織進(jìn)行觀察;采用OXFord INCI能譜分析合金中不同區(qū)域合金元素的分布規(guī)律;采用MVS－1000JMT2維氏顯微硬度儀分析不同區(qū)域的硬度變化。

表1 TC18鈦合金棒材不同的熱處理工藝Table 1 Different heat treatments of TC18 titanium alloy bars

2 結(jié)果與討論

2.1 TC18鈦合金棒材中的亮斑分析

TC18鈦合金試樣原始狀態(tài)的低倍組織見圖1。

圖1 TC18鈦合金棒材原始狀態(tài)的低倍組織Fig.1 Macrostructures of received TC18 titanium alloy bars

從圖1可以看出精鍛棒材經(jīng)常規(guī)熱處理(即840℃×1 h/FC至720℃×1 h/AC+590℃×4 h/AC)后，其組織形貌為模糊晶，在棒材心部存在一個最大長度為2 mm的亮斑，并有直徑約為4 mm的過渡區(qū)。

進(jìn)一步的金相分析表明(見圖2)，亮斑區(qū)為大片的塊狀α相，只有少量的β相分布其間(圖2a)，過渡區(qū)為等軸α相和β基體，越遠(yuǎn)離亮斑區(qū)，α相含量越少(圖2b、c)，正常區(qū)為由短棒狀α相組成的細(xì)網(wǎng)籃組織(圖2d)。

圖2 TC18鈦合金棒材原始狀態(tài)的金相組織Fig.2 Metallographs of received TC18 titanium alloy bars

為了進(jìn)一步確定缺陷區(qū)的相組成，對亮斑區(qū)、過渡區(qū)和正常區(qū)分別進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果見表2。

表2 TC18鈦合金棒材不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果(w/%)Table 2 The component of TC18 titanium alloy bars in different region

EDS分析結(jié)果表明，亮斑區(qū) β穩(wěn)定元素 Mo、Cr、Fe含量較少，V含量甚至為0，此外，α穩(wěn)定元素Al含量也較低。與正常區(qū)相比，過渡區(qū)強(qiáng)β穩(wěn)定元素Fe含量較少，導(dǎo)致α相含量較正常區(qū)有一定的增加。由于腐蝕及EDS測試精度的問題，過渡區(qū)及正常區(qū)的成分與合金化學(xué)法確定的元素含量有一定差別，但是元素分布的規(guī)律是一致的。上述分析表明，低倍組織上的大塊狀亮斑區(qū)為富α相區(qū)，其與正常區(qū)域之間有一定寬度的過渡區(qū)。亮斑區(qū)合金元素含量明顯小于正常區(qū)。

2.2 固溶處理對TC18鈦合金大塊富α相的影響

對含缺陷樣品分別進(jìn)行900℃ ×2 h/WQ、1 150℃ ×2 h/WQ β相區(qū)均勻化熱處理，熱處理后的金相照片分別見圖3及圖4。顯微組織分析表明，900℃固溶處理后富α相區(qū)依然有50%左右的等軸α相，過渡區(qū)有少量的α相。低倍組織分析表明，熱處理后富α相亮斑尺寸沒有明顯的變化。1 150℃固溶處理后，金相組織分析表明富α相區(qū)無等軸α相，過渡區(qū)與富α相亮斑區(qū)邊界明顯弱化。低倍組織分析表明，富α相亮斑區(qū)尺寸有一定的減小。

圖3 TC18鈦合金棒材經(jīng)900℃ ×2 h/WQ熱處理后的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of TC18 titanium alloy bars after heat treated under 900℃ ×2 h/WQ

圖4 TC18鈦合金棒材經(jīng)1 150℃ ×2 h/WQ熱處理后的金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographs of TC18 titanium alloy bars after heat treated under 1 150℃ ×2 h/WQ

為了進(jìn)一步分析1 150℃固溶處理對合金組織的影響，對固溶處理后的樣品進(jìn)行840℃ ×1 h/FC至720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC常規(guī)熱處理，其金相照片見圖5。顯微組織分析表明，過渡區(qū)組織與正常區(qū)組織無明顯差別，亮斑區(qū)α相含量與正常區(qū)組織相比稍有增加，但也無明顯差別，均為網(wǎng)籃組織。這表明1 150℃×2 h/WQ均勻化熱處理可以明顯改善合金的偏析。進(jìn)一步的硬度分析見表3。

圖5 TC18鈦合金棒材經(jīng)1 150℃×2 h/WQ+840℃×1 h/FC至720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC熱處理后的金相照片F(xiàn)ig.5 Metallographs of TC18 titanium alloy bars after heat treated under 1 150℃×2 h/WQ+840℃×1 h/FC to720℃×1 h/AC+590℃×4 h/AC

表3 TC18鈦合金棒材不同區(qū)域的顯微硬度(MPa)Table 3 Microhardness of TC18 titanium alloy bars in different region

硬度分析表明，原始狀態(tài)TC18鈦合金富α相區(qū)顯微硬度明顯低于正常區(qū)，過渡區(qū)硬度介于兩者之間。1 150℃高溫均勻化熱處理后再進(jìn)行常規(guī)固溶+時效處理，過渡區(qū)與正常區(qū)硬度幾乎相同，富α相區(qū)硬度與正常區(qū)硬度差別很小，這表明1 150℃×2 h/WQ可以明顯改善合金中微觀偏析引起的力學(xué)性能不均勻。由于高溫固溶會引起合金晶粒長大及組織粗化，導(dǎo)致熱處理后樣品正常區(qū)硬度比原始狀態(tài)樣品的稍低。

上述分析表明，對于β穩(wěn)定元素含量較高的鈦合金，例如TC18鈦合金，在鍛造前對其進(jìn)行1 150℃×2 h/WQ的均勻化熱處理，然后再進(jìn)行開坯鍛造及改鍛，可以改善合金中的偏析，進(jìn)一步提高合金鍛造過程中的變形均勻性，從而提高此類合金的成品率。

3 結(jié)論

(1)TC18鈦合金試樣中白色亮斑為富α相區(qū)，并且有一個直徑4 mm左右的過渡區(qū)，能譜分析表明是微觀偏析引起的α相富集。

(2)900℃高溫固溶處理后，富α相區(qū)依然有50%的等軸α相且富α相區(qū)尺寸無明顯變化。

(3)1 150℃高溫固溶處理后，富α相區(qū)無明顯的等軸α相且富α相區(qū)尺寸有一定的減小;進(jìn)一步常規(guī)固溶加時效處理后，過渡區(qū)、正常區(qū)組織無明顯的差別，富α相區(qū)α相含量稍有增加，均為網(wǎng)籃組織;維氏顯微硬度分析表明，1 150℃高溫固溶處理可以改善合金中的微觀偏析。

［1］魏壽庸，祝瀑，王韋琪.Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe鈦合金簡介［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，1998，15(4):4－12.

［2］吳曉東，葛鵬，楊冠軍，等.BT22鈦合金固溶冷卻過程中溫降特性分析［J］.稀有金屬材料與工程，2010，29(2):249－253.

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［6］毛小南，張鵬省，于蘭蘭，等.BT22合金的成分設(shè)計和淬透性的關(guān)系研究［J］.稀有金屬快報，2006，25(6):21－26.

The Effect of Heat Treatment on Large Dimension of α-rich Region of TC18 Titanium Alloy

Hou Zhimin1，2，Zhao Yongqing1，2，Zhang Pengsheng2，Mao Xiaonan2，Yin Yanfei2，Li Silan2
(1.Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)
(2.Northwest Institute for Norferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

The bright spot of

TC18 titanium alloy bar was analyzed by energy dispersive spectrometer(EDS)and optical microscope(OM)to identify the phase composition，dimension and microstructure.Then the microhardness of the alloy in different region was analyzed by Vickers hardness tester.The EDS and OM analysis indicated that the bright spot was α-rich region，enclosed by transition region.The 1 150 ℃ ×2 h/WQ solution heat treatment could effectively reduce the size of α-region and fuzz the boundary of it.The sample was then conventionally processed by 840℃ ×1 h/FC to 720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC.After then，the microstructure of transition region and normal region was nearly the same，and distinction of α phase percent between the α-rich region and the normal region was only a little，all of the microstructure in different region was basketwave.Further microhardness analysis verified that there was nearly no difference between α-region and normal region.These results show that pre-heat treatment at 1 150 ℃ can effectively improve the microsegregation of TC18 titanium alloy.

TC18 titanium alloy;α-rich region;β solution treatment

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.004

2014－03－11

國家科技支撐計劃項目(2007BAE07B03);陜西省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃“鈦合金研發(fā)團(tuán)隊”(2012 KCT－23)

侯智敏(1981—)，男，高級工程師。