鈦合金熱處理后的顯微結構及力學性能研究

張星煜 辛先譜

摘? 要：通過兼有α+β和β鈦合金的TC18（BT22）鈦合金性能特征研究，近β型的一種結構模式。退火狀態(tài)下強度最高的合金具有良好的可焊接性、鍛透性和淬透性等優(yōu)勢，較好的強韌性匹配，可用來制造大型鍛件和模鍛件，鈦合金可制成鍛件、模鍛件、棒材等。結合顯微結構及力學性能實驗測試結果表明，共同影響晶粒的生長過程的保溫時間延長熱力學和動力學因素，影響逐漸減小的保溫時間較短動力學因素，建立了β晶粒尺寸使用回歸分析，通過回歸分析建立了力學性能與各因素之間的定量關系。

關鍵詞：鈦合金;熱處理后;顯微結構;力學性能

中圖分類號：TG166? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0094-02

Abstract： Through the study of the properties of TC18 （BT22） titanium alloy with both α+β and β titanium alloys， it is a

β-type structural mode. The alloy with the highest strength in the annealed state has the advantages of good weldability， malleability and hardenability， and good matching of strength and toughness， which can be used to make large forgings and die forgings， and titanium alloys can be made into forgings， die forgings， bars and so on. Combined with the experimental results of microstructure and mechanical properties， it is shown that the thermodynamic and kinetic factors that affect the holding time of grain growth are prolonged， and the shorter holding time is influenced by the decrease of holding time. The regression analysis of grain size is established， and the quantitative relationship between mechanical properties and various factors is established by regression analysis.

Keywords： titanium alloy; after heat treatment; microstructure; mechanical properties

引言

TC18（BT22）鈦合金是一種具有代表性的高強高韌鈦合金，具有較好的強韌性匹配，很高的退火狀態(tài)強度水平。達到1080MPa采用強化處理方式，可超過1300MPa的強度[1]。鈦合金具有極佳淬透性，合金退火強度最高，可達250mm的截面淬透厚度，通常用于制造飛機上的大型承力構件，鈦合金在航空工業(yè)中具有重要的地位[2]。國際航空界材料由傳統(tǒng)的靜強度轉變?yōu)閾p傷容限設計，塑性和韌性的良好匹配，損傷容限型鈦合金需要達到一定強度。斷裂韌性在β鈦合金的研究中發(fā)現通常與強度呈反比，β鈦合金的強韌化機制及方法是重點的研究方向[3]。國內外關于TC18鈦合金熱處理制度對組織及性能的研究較多，但處理后顯微結構及力學性能研究較少，且系統(tǒng)性研究較差[4]。

因此，本文針對鈦合金熱處理后的顯微結構及力學性能研究，通過實驗優(yōu)化TC18鈦合金的性能，定量地分析處理后顯微結構及力學性能，開發(fā)新型高強高韌鈦合金，改善同類型鈦合金的性能具有重要研究價值。

1 鈦合金的顯微結構及力學性能

1.1 鈦合金的顯微結構

熱加工過程多種多樣的鈦合金，具有十分復雜的相變，其組織類型比較多，包括雙態(tài)組織、三態(tài)組織、等軸組織、網籃組織和魏氏組織。不同的顯微組織將具有不同的力學性能，組織決定性能。

1.2 鈦合金的力學性能

室溫下變形量可達到90%的碘化法鈦，其塑性很好。在77K附近時都不發(fā)生脆斷，沖擊加工的缺口試樣。隨溫度的升高而升高的碘化法鈦的延伸率和斷面收縮率，抗拉強度和屈服強度隨溫度的升高而降低。鈦的雜質元素N、O、C由大到小依次排列，均能提高鈦的抗拉強度而降低其塑性。H含量達到0.012～0.015%（wt.%）的鈦合金中，力學性能試樣的沖擊急劇降低，其缺口敏感性大大增加，發(fā)生所謂的“氫脆”。除上述元素外，由強到弱依次為Cr、Co、Nb、Mn、Fe、V、Sn七種常用元素對鈦強度的影響，也可提高鈦合金的強度。與鋁、鎂合金相比，其強度比好些合金鋼還要高，鈦合金的強度是鎂合金的5倍左右，鋁的2倍多[6]。鈦合金卻變化很小，與室溫下的相比大大降低鎂、鋁合金673K時的強度。約為鋼的一倍多的鈦合金彈性系數，普通鈦合金的抗拉強度為280MPa～1100MPa，當下所有應用的金屬材料中最高的鈦合金的比強度，抗拉強度可達1270MPa～1480MPa的高強鈦合金。

2 實驗材料及實驗方法

2.1 實驗材料制備

通過真空自耗爐三次熔煉，按照Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（wt.%）成分配料的TC18鈦合金，化學成分為Ti-5.01Al-4.69Mo-5.14V-1.03Cr-1.06Fe（wt.%）實測。在890℃兩墩兩拔至Φ150mm圓棒，1150℃六墩六拔開坯成Φ220mm圓棒，一墩一拔成60×100×Lmm坯料的810℃。測定合金的相變點通過金相法，溫度升高的熱處理，熱處理溫度值為840℃～860℃之間，逐漸減少合金中初生α相的含量。當達到880℃以上熱處理溫度時，在870℃時有極少量的熱處理溫度初生α相，等軸的β形成晶粒組織，確定合金的相變點大約為875℃，初生α相已完全消失。

2.2 實驗方法

（1）實驗熱處理方案

實驗熱處理方案采用β區(qū)固溶主要為了研究TC18鈦合金β晶粒的長大規(guī)律，β區(qū)固溶及α+β兩相區(qū)固溶+時效的熱處理制度，在1080℃、1130℃、1180℃加熱，熱處理制度分別保溫1、2、3、4h后空冷，熱處理制度、目標組織和實驗目的合金。

（2）組織參數測量

開發(fā)的圖像分析軟件Image-ProPlus（IPP）6.0，美國MediaCybernetics公司微觀組織參數，測量了初生α相αp體積分數v1，次生α相αs厚度D2、體積分數v2，等效圓直徑法晶粒尺寸D。

3 熱處理后顯微組織和組成相特征參數的影響

TC18鈦合金經過固溶時效處理后，取決熱加工工藝參數及熱處理后的顯微組織，很大程度合金的以上力學性能，具有強度、疲勞強度、韌性和抗裂紋擴展性能的良好匹配，各顯微組織及組成相的特征參數是影響合金力學性能的直接因素。通過熱處理溫度與顯微組織關系的研究，不同的熱處理制度組成相及特征參數的研究較少，時效溫度對合金組成相特征參數，不同的固溶通過大量的統(tǒng)計計算得出。對TC18鈦合金顯微組織的影響規(guī)律，固溶時效及雙重熱處理溫度提供有力依據。TC18鈦合金均由α和β兩相組成，在750～860℃之間進行固溶處理后。時效處理后亞穩(wěn)β相將發(fā)生分解，合金仍由α和β兩相組成，同時會造成合金元素的重新分布。

3.1 熱處理對顯微組織的影響

在時效前固溶溫度的升高，不同固溶溫度合金的掃描照片，等軸α相的等效圓直徑變化不明顯，合金中初生等軸α相的含量減少。在時效處理條件下，亞穩(wěn)定β相中將析出條狀的次生，不同固溶及時效溫度下合金的掃描顯微組織。固溶及時效溫度的變化，體積分數等也發(fā)生變化，析出的次生αs相的厚度。在500℃時效條件下，在β轉變基體中析出的次生αs相的彌散程度增大，固溶溫度的升高。在780℃固溶條件下，由500℃時效后的細小彌散狀長成了經600℃時效后的長條狀，次生的αs相開始長大，時效溫度的升高。

第一階段熱處理溫度在相變點溫度以下時，雙重熱處理制度下初生α相的顯微組織，初生α相呈短棒狀特征。當第二階段溫度降低時，為不規(guī)則的多邊形和短棒狀組織組成的混合組織，初生α相的形態(tài)將發(fā)生變化。第一階段溫度在相變點以上，第二階段溫度在相變點以下時，晶界處長條狀α相清晰可見，不同的顯微組織將具有不同的力學性能，組織決定性能晶內也由有一定趨向關系的長條狀α相組成。

3.2 熱處理對β、α相晶格參數的影響規(guī)律

TC18鈦合金的XRD譜，固溶溫度對α和β相晶格參數的影響規(guī)律，采用外推法計算出α和β相的晶格參數。時效前β相晶格常數增加，隨固溶溫度的升高，c值和c/a均先增加然后減小，α相的a值基本保持不變;時效后固溶溫度的升高，相同時效條件下β相的晶格常數減小，c值和c/a均減小，α相的a值稍降;相同固溶條件下，α相的a值、c值和c/a均增加，β相的晶格常數增加，隨時效溫度的升高。合金元素與鈦原子體積差異綜合作用的結果，合金元素在兩相中的分布改變，隨著熱處理溫度的變化。固溶處理時，TC18鈦合金中的合金元素（Al、Mo、V、Cr、Fe）原子直徑均小于鈦原子直徑，會造成升高固溶溫度。使得兩相的晶格常數減小，α和β相中的α穩(wěn)定元素含量升高;使得兩相的晶格常數增加，β穩(wěn)定元素含量降低。對于β相，造成了β相的穩(wěn)定性隨固溶溫度的升高而降低，β相晶格常數隨固溶溫度的升高而增加，顯然β穩(wěn)定元素含量的減少對晶格常數的影響占據了主導地位。

對于α相，β穩(wěn)定元素含量的減少對晶格常數的影響占據主導地位。較低溫度固溶時，α穩(wěn)定元素含量升高對晶格常數的影響占據主導地位。較高溫度固溶時，α相的晶格常數出現了非單調變化，造成固溶時隨固溶溫度的升高。時效處理后，造成各相中的合金元素重新分布，亞穩(wěn)β相將發(fā)生分解。α相中則含有更低的β穩(wěn)定元素含量和更高的穩(wěn)定元素含量，分解形成的新的β相中含有更高的β穩(wěn)定元素含量和更低的。

4 熱處理后的特征參數對力學性能的影響

拉伸性能與固溶溫度的關系：

TC18鈦合金室溫拉伸性能隨固溶溫度的變化曲線，合金的強度和面縮率呈下降趨勢，時效前隨著固溶溫度的升高，抗拉強度（Rm）約980MPa下降至約900MPa。合金的延伸率（A）基本保持在15%左右，面縮率（Z）由約65%下降至約35%。在500℃時效時，合金的抗拉強度由約1370MPa提高至約1700MPa，隨著固溶溫度的升高，合金的延伸率也由約10%下降至約4%，約50%降至約3%強度提高約330MPa面縮率。550℃時效時，約55%下降至約20%強度提高約180MPa面縮率，約1270MPa提高至約1450MPa合金的抗拉強度，延伸率由約10%下降至約5%。600℃時效時，面縮率由約60%下降至約37%，合金的抗拉強度由約1170MPa提高至約1350MPa，延伸率由約13%下降至約10%。

5 結論

通過TC18鈦合金β區(qū)固溶，采用β區(qū)固溶及α+β兩相區(qū)固溶時效的熱處理制度，β晶粒的長大規(guī)律及其熱力學動力學分析。固溶時效溫度及各組織參數對TC18鈦合金性能的影響，α+β兩相區(qū)固溶時效后，依據回歸方程對各組織參數和性能的關系進行預測，合金的強度均呈下降趨勢，αp體積分數、αs體積分數及厚度的增加，呈上升趨勢的塑性，對TC18鈦合金室溫力學性能的影響要大，αp體積分數較αs體積分數及厚度。

參考文獻：

[1]鮑學淳，程禮，陳煊，等.熱處理工藝對TC4鈦合金組織和力學性能的影響[J].金屬熱處理，2019，44（06）：137-140.

[2]邵飛翔，盧猛，周明陽，等.TC18鈦合金壓力容器焊后失效分析及熱處理制度優(yōu)化[J].金屬熱處理，2019，44（06）：211-214.

[3]金俊龍，萬曉慧，郭德倫.TC17鈦合金焊接及局部熱處理殘余應力的數值模擬[J].航空制造技術，2019，62（12）：30-35.

[4]原菁駿，姬忠碩，張麥倉.熱變形及熱處理過程中TC17鈦合金組織與取向的關聯性[J].工程科學學報，2019，41（06）：772-780.