熱處理工藝對(duì)TC18 鈦合金型材組織性能的影響*

鳳偉中，馮紅超，謝林均，徐 哲，代 春，成小麗，劉繼雄

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

TC18 鈦合金是俄羅斯全俄航空材料研究院于20 世紀(jì)60 年代開發(fā)的一種高強(qiáng)鈦合金，對(duì)應(yīng)俄羅斯牌號(hào)為BT22。名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，名義成分下的Al 當(dāng)量為5.0%，Mo 當(dāng)量為11.76%。該合金屬于過渡型α+β 合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的伸長率和斷面收縮率、較高的沖擊性能、淬透性能和焊接性能，主要作為結(jié)構(gòu)件在航空領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，合金的最高長期工作溫度為400℃。鈦合金型材研究最早可以追溯到20 世紀(jì)50 年代，以俄羅斯和美國為代表的西方國家，在航空領(lǐng)域應(yīng)用為主，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等裝備研發(fā)了各類構(gòu)件用型材、次承力框等鈦合金型材，為鈦合金型材在該領(lǐng)域大量應(yīng)用開創(chuàng)了先河。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鈦合金型材已經(jīng)在航空航天、軍用戰(zhàn)斗機(jī)、民用客機(jī)等方面得到了大量應(yīng)用，覆蓋了低強(qiáng)、中強(qiáng)和高強(qiáng)級(jí)別，開發(fā)出了包含“T”“L”“U”“H”“Z”“Y”及“幾”型等各種截面的鈦合金形材。目前鈦合金型材生產(chǎn)的主流方法為熱擠壓成型，然后根據(jù)實(shí)際需求通過表面精整或機(jī)加加工成最終形狀。

已有的熱處理工藝主要是針對(duì)自由鍛造、模鍛等工藝生產(chǎn)的TC18 鈦合金，對(duì)于擠壓方式生產(chǎn)的TC18 鈦合金型材熱處理制度尚未見報(bào)道。由于擠壓成形的型材組織與鍛造后的組織差別較大，因此本研究針對(duì)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目型材（截面尺寸見圖1）性能指標(biāo)要求，開展了熱處理工藝對(duì)TC18 鈦合金厚壁U 型材組織及性能的關(guān)系研究，為TC18 鈦合金擠壓型材的熱處理奠定了理論基礎(chǔ)。

圖1 TC18 鈦合金U 型材示意圖及產(chǎn)品實(shí)物圖

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文以TC18 鈦合金為試驗(yàn)材料，其主要成分滿足GB/T3620.1 的要求，采用海綿鈦及相應(yīng)中間合金為原料壓制電極，經(jīng)過3 次真空自耗熔煉后，制得規(guī)格為800mm 的TC18 鈦合金鑄錠。然后，經(jīng)過多火次鍛造成210mm 擠壓棒坯，通過加熱在3150 臥室水壓機(jī)上擠壓出鈦合金U 型材。通過金相法測得該合金α+β/β 相變點(diǎn)為875℃。

1.2 試驗(yàn)方法

利用電火花線切割機(jī)，在擠壓后的TC18 鈦合金U型材上取金相、拉伸及沖擊韌性試樣。試樣分別采用4 種雙重退火制度（見表1），在箱式電阻爐中進(jìn)行熱處理后，利用HF：HNO3：H2O 為1：3：10（體積比）的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)試驗(yàn)型材的顯微組織進(jìn)行觀察。按照GB/T228.1 標(biāo)準(zhǔn)要求，利用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測試鈦合金型材室溫力學(xué)性能。按照GB/T229 標(biāo)準(zhǔn)要求，利用N1500C 沖擊試驗(yàn)機(jī)測試型材沖擊韌性。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對(duì)顯微組織的影響

圖2 為TC18 鈦合金熱擠壓U 型材，經(jīng)過β 相變點(diǎn)（875℃）以下不同固溶時(shí)效熱處理后的顯微組織。從圖2（a）-（d）可以看出，該合金主要由β 單相區(qū)加工組織組成，隨時(shí)效溫度升高，時(shí)效后組織越來越粗化。從圖2 可清楚看到合金原始的較粗大的β 晶粒，在原始的β 晶粒內(nèi)存在相互交錯(cuò)的細(xì)針狀α 相，部分α 相沿著晶界不均勻分布。

圖2 TC18 鈦合金U 型材經(jīng)不同雙重退火制度熱處理后的顯微組織

2.2 熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響

圖3 為不同時(shí)效熱處理后TC18 鈦合金型材拉伸性能和沖擊韌性測試結(jié)果。從圖中可以看出，經(jīng)過表1 所示固溶時(shí)效熱處理后的鈦合金型材，其力學(xué)性能實(shí)測結(jié)果大于考核指標(biāo)要求的Rm≥1200MPa，Rp0.2≥1050MPa，A≥15%，αKU2≥25J/cm2。

表1 TC18 鈦合金U 型材金相試樣、拉伸樣及沖擊韌性試樣的熱處理制度

從圖3 性能變化曲線可以看出，隨時(shí)效溫度上升，材料強(qiáng)度與沖擊韌性先升高后降低，塑性有所提高，且型材強(qiáng)度和沖擊韌性綜合性能在750℃/30min+AC（空冷），585℃/6h+AC（空冷）熱處理后，型材的綜合性能最高，其抗拉強(qiáng)度1276MPa，屈服強(qiáng)度1187MPa，延伸率16%，沖擊韌性達(dá)到33J/cm2。鈦合金型材內(nèi)部組織的次生α 相含量影響著材料的綜合性能，通過時(shí)效將馬氏體轉(zhuǎn)化成細(xì)小的α 相和β 相，有利于強(qiáng)度的提高；而隨時(shí)效溫度提高，組織粗化加重，造成沖擊韌性降低。

圖3 不同時(shí)效處理后TC18 鈦合金型材拉伸性能和沖擊韌性

3 結(jié)論

（1）采用熱擠壓方式制得TC18 鈦合金U 型材經(jīng)4種不同固溶+時(shí)效熱處理后，組織形貌基本保留了β 單相區(qū)的熱加工組織；隨著時(shí)效溫度的升高，組織越來越粗化，原始的β 晶粒內(nèi)存在相互交錯(cuò)的細(xì)針狀α 相增多。

（2）采用750℃/30min/AC+585℃/6h/AC 固溶時(shí)效處理后，TC18鈦合金U型材力學(xué)性能和沖擊韌性獲得最佳匹配。