航空用TC4合金組織與性能中熱處理的影響機制分析

王炳坤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安710089）

鈦合金具有其自身的突出特性，即強度高、耐腐蝕性良好、耐熱性較高等，因此得以在航空領(lǐng)域、海洋工程領(lǐng)域等備受青睞，其產(chǎn)品主要是板材、型材、管材、鍛件等。在天然氣鉆探、開采、航空航天、海洋軍事等快速發(fā)展的推動下，對于具有獨特優(yōu)勢特性的大直徑鈦合金管材要求越來越高，需求也越來越大[1]，所以，對鈦合金的性能指標與應用領(lǐng)域所要求的大直徑管材的相符性進行深入探究勢在必行。TC4 鈦合金是自主研發(fā)的損傷容限型合金，是強度適中，韌性較高的合金，也是制備大直徑鈦合金管材的最佳材料。而材料的斷裂韌性和熱處理制度、顯微組織類型之間密切相關(guān)，在退火溫度不斷升高的影響下，斷裂韌性也會逐漸增強，而且片狀組織具備更突出的斷裂韌性[2]。因此，基于TC4 鈦合金采取不同固溶時效熱處理工藝，對溫度與冷卻方式的不斷變化與顯微組織、力學性能變化之間的關(guān)系做了詳細分析，以獲取最優(yōu)強塑比熱處理工藝參數(shù)。

1 實驗材料與方法

1.1 材 料

實驗材料選用6mm的熱軋態(tài)鈦合金管，化學成分是w（Fe）＜0.25%，w（C）＜0.06%，w（H）＜0.008%，w（N）＜0.04%，w（O）＜0.065%，w（Al）=5.5%～6.2%，w（V）=3.5%～4.0%，其余則是鈦。

1.2 方法與設(shè)備

因為材料尺寸有限，把熱處理前后的TC4 鈦合金管進行加工，變成板條狀拉伸試樣與10 mm×5 mm×55 mm的夏比V型沖擊試樣，沿著材料軋制的方向進行取樣。利用電液伺服萬能機進行常規(guī)力學性能檢測，按照相關(guān)標準進行示波沖擊試驗，設(shè)備則選用沖擊試驗機，沖擊能量則是294 J[3]。明確TC4鈦合金材料β轉(zhuǎn)變溫度之后，實驗基于相變點溫度，選擇五種熱處理制度，具體如表1所示。試樣在箱式電阻爐中，按照熱處理工藝加以操作，以φ(HF)：φ(HNO3)：φ(H2O)=1：2：5腐蝕液將試樣浸蝕，利用顯微鏡實時觀測熱處理前后鈦合金顯微組織，并采用環(huán)境掃描電子顯微鏡對沖擊試樣的斷口形貌進行全程觀察[4]。

表1 鈦合金熱處理工藝

2 實驗結(jié)果

就兩相鈦合金而言，α相是（α+β）兩相鈦合金的基體相，其相關(guān)參數(shù)與兩相鈦合金性能息息相關(guān)，即數(shù)量、形狀、大小等。在兩相區(qū)，保溫時間不同，以及低于相變溫度的保溫溫度熱處理的前提條件下，獲取的（α+β）兩相組織的關(guān)鍵特性為晶粒形狀不規(guī)則，晶界上存在連續(xù)或不連續(xù)的α相，還存在很多微小的次生α相，晶內(nèi)則存在點狀、針片狀、球狀、短棒狀的α相[5]。在溫度明顯超出相變溫度的時候，（α+β）全部轉(zhuǎn)化成β相，其中晶粒尺寸也參差不齊，形狀各不一致。

而固溶時效對于α相有著直接性影響，其能夠及時消除或者是減少晶界中的連續(xù)α相，促進材料抗拉強度與抗疲勞強度的增強，并進一步降低塑性[6]。另外，固溶時效處理還可以在很大程度上提高鈦合金的疲勞強度，在鈦合金中的β相的穩(wěn)定元素不斷增加，在淬火之后，處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的β相數(shù)量就會隨之增多，而時效強化效果也就會更加突出，此時便可以實現(xiàn)沉淀硬化目標。而且在β相的穩(wěn)定元素溫度達到標準值的時候，時效強化的效果最佳，β相元素不斷增加，時效的亞穩(wěn)定β相逐漸析出，而α相數(shù)量隨之縮減，強化效果卻呈現(xiàn)下降趨勢，TC4 鈦合金是（α+β）兩相合金，利用固溶時效熱處理的方式，對顯微組織進行科學改善，提高力學性能，從而獲得良好的綜合性能。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 熱處理在顯微組織中的影響

TC4 鈦合金在經(jīng)過各種工藝熱處理之后，其顯微組織通過金相組織觀察，在加熱溫度小于（α+β）→β相變點的時候，在固溶溫度上升的影響下，獲得較多等軸組織數(shù)量，而轉(zhuǎn)變組織數(shù)量卻相對較少，所占據(jù)的比重也非常小。在加熱溫度大于（α+β）→β相變點的時候，獲得晶粒粗大片狀組織，能夠更加清晰的觀察到原始的β晶粒，在晶界中也析出了顯著的α相，而原始的β晶粒轉(zhuǎn)換成了長條狀相互交錯的組織，呈現(xiàn)出各種位向的編織狀[7]。而退火之后的鈦合金顯微組織中，可以看出熱軋態(tài)TC4合金的退火組織，主要是通過α相和（α+β）相結(jié)合而生成的混合物。而TC4 鈦合金在經(jīng)過固溶時效處理之后，顯微組織主要是通過α與（α+β）相融合而生成的混合物，在固溶時效溫度逐漸上升的影響下，時效后組織也明顯加粗，其中淬火的溫度在920℃，在淬火之后α1相不僅數(shù)量變少，形狀也隨之變小了，在經(jīng)過時效處理之后，α1相轉(zhuǎn)化成了片狀與層狀相間的（α+β）混合物質(zhì)。

在時效溫度不斷升高的趨勢下，α1相尺寸相對較大，在經(jīng)過熱處理之后，α1相變化成（α+β）混合物質(zhì)之后，此相尺寸和片層之間的間距也會明顯增大。而典型的雙態(tài)組織的熱處理溫度比相變點的熱處理溫度低，此類組織的塑性和穩(wěn)定性較好，而蠕變性卻相對一般[8]。與固溶組織的α相對比，在經(jīng)過時效之后，α相的尺寸明顯越來越大，據(jù)此可知，就α1相中析出的α相，不僅會演變成片層狀，還會在原始α相的影響趨勢下漸漸增大。而原始α相在全面轉(zhuǎn)變成為β相之后，片層狀β相和殘留的α相以團束狀形式進行排列，α相沿著晶界實現(xiàn)了均勻分布，并與團束狀在β晶粒中以平行的方式進行排列，從而呈現(xiàn)為顯著的網(wǎng)籃狀組織。網(wǎng)籃狀組織可以促使材料的強度和韌性都得到了顯著強化，具備良好的綜合性能。因為固溶溫度漸漸上升，晶粒開始變大，尺寸也越來越大，呈現(xiàn)片狀，在晶粒上出現(xiàn)了比較突出的α相，而且α相以層狀形態(tài)在β相中進行排列與分布，其中部分殘留的α相在晶界帶動下，呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，原始β相晶粒變成了長條狀的交錯組織，位向各不相同，從而構(gòu)成網(wǎng)籃狀的結(jié)構(gòu)。而晶粒變得越來越大，呈現(xiàn)為片層狀的組織，原始的β相晶粒變成了長條狀相互交錯的組織，并且呈現(xiàn)為位向各不相同的編織狀。

3.2 熱處理在力學性能中的影響

3.2.1 拉伸性能

TC4 合金在不同的熱處理制度下，室溫拉伸性能也明顯不同[9]，具體如表2所示。從中可以看出，網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)的組織屈服強度與α相和晶界β相融合而生成的組織屈服強度比較分析，其強度明顯較低。造成這種現(xiàn)象的主要原因是鋁元素和氧元素等強化元素全面集中在α相，β相向α相進一步轉(zhuǎn)變，發(fā)揮了一定的強化作用，而位錯運動的能力也實現(xiàn)了顯著提高。

表2 TC4鈦合金拉伸試樣熱處理工藝及力學性能

3.2.2 斷裂韌性

TC4 合金在不同熱處理制度下，經(jīng)過處理之后，α相與晶界β相結(jié)合所構(gòu)成的組織的斷裂韌性相對偏低，但是網(wǎng)籃狀組織的韌性則比較高。造成這種現(xiàn)象的主要原因是因為球狀α發(fā)生斷裂的當時比較特殊，其沿著等軸α/β的界面或穿過α晶粒，并提供擴展通道，裂紋通過平滑方式進一步擴展，幾乎不會產(chǎn)生任何分歧，所以，斷裂韌性則明顯較低。而在網(wǎng)籃狀組織中，裂紋是沿著α/β界面實現(xiàn)擴展的，而且隨著片狀α取向，漸漸改變擴展的方向，所以途徑比較繁雜，分歧也比較多，因此斷裂韌性明顯較高。

3.2.3 疲勞裂紋擴展速率

裂紋的擴展是金屬滑移所造成的，在網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)組織中，造成裂紋路徑繁雜與擴展中裂紋分歧較多的主要原因是網(wǎng)籃狀組織的滑移特性[10]。網(wǎng)籃狀組織中滑移難以連續(xù)進行，其中β晶界直接影響著滑移變形，而α團束領(lǐng)域邊界也是阻礙滑移變形的重要因素。在β晶界中的α團束位向和主裂紋的擴展方向接近的時候，裂紋會沿著α團束中取向不相同的滑移面緩緩通過，以此保持裂紋的方向不會變化，如果團束的位向和主裂紋的方向不同，裂紋就會橫向穿過取向相同的α片狀，在滑移帶遷移到另一取向團束的時候，會造成錯位堵塞，導致滑移備受阻礙，擴展速率大大下降。而在α相與晶間β相相結(jié)合所組成的組織中，裂紋則是控制在α晶粒范圍中滑移帶開始，在α相與β相的交界位置形成裂紋。所以，裂紋擴展不需改變方向，便可以沿著α/β截面或者通過α晶粒，擴展路徑通暢，分歧比較少，擴展速率較高。

4 結(jié) 論

綜上所述，在固溶溫度不斷升高的影響下，TC4合金顯微組織中的等軸α組織比例在不斷縮減，β轉(zhuǎn)變組織的數(shù)量則是明顯增加。在兩相區(qū)固溶中，固溶溫度逐漸上升，則會從晶粒邊界中析出α相，而且呈現(xiàn)團束狀，在晶粒β相中以平行的狀態(tài)進行排列，在時效之后，組織不均勻。而在固溶溫度一致的時候，在時效溫度不斷上升的趨勢下，α相則會漸漸集中變大，從而使得組織變粗。在固溶時效處理之后，獲得片層狀β相與殘留的α相團束實現(xiàn)平行均勻分布，呈現(xiàn)網(wǎng)籃狀的組織狀態(tài)，能夠獲得最佳綜合性能。另外，在固溶溫度不斷升高的趨勢下，經(jīng)過熱處理，TC4合金的強度呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢，其中韌性和塑性則會隨之漸漸降低。在固溶溫度相同的時候，在時效溫度逐漸升高的影響下，TC4合金的強度明顯下降，塑性和韌性則是先上升再下降。另外，在固溶時效溫度同時上升的時候，韌性有所下降，而抵抗裂紋擴展的能力卻明顯縮減，這就代表析出分布不均勻的α相，使得TC4合金的塑性與韌性大大降低，而延伸率也備受影響。