TC1鈦合金寬幅薄板熱加工過(guò)程組織演變及力學(xué)性能研究

趙曉鵬，陳益哲，苗 陽(yáng)，巨朝飛，孫夢(mèng)桐，陳 旭

（1.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014；2.國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西 寶雞 721013）

TC1鈦合金是一種具有良好成型性和焊接性能的α+β型合金，其名義成分為Ti-2Al-1.5Mn，其具有密度小、比強(qiáng)度高、熱塑性優(yōu)良、耐蝕性好等有點(diǎn)，在400℃以下溫度使用的結(jié)構(gòu)材料，常被用于制造飛機(jī)蒙皮等部件[1-5]。

隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，TC1薄板用量逐年增加；由于傳統(tǒng)工藝限制導(dǎo)致國(guó)內(nèi)生產(chǎn)TC1鈦合金薄板板幅較窄，大多在1000mm以下[6-10]；隨著用戶制造零件尺寸增加，對(duì)寬幅TC1板材的需求更為迫切[11-15]。本文采用包覆疊軋工藝研制了寬幅TC1合金薄板，并研究了熱處理對(duì)其組織及力學(xué)性能的影響。

1 材料及方法

本試驗(yàn)坯料為寶鈦集團(tuán)提供的TC1鈦合金板坯，坯料的化學(xué)成分，見(jiàn)表1，其鍛態(tài)組織如圖1所示，可以看出板坯組織為單相區(qū)鍛造組織，粗大的β晶粒內(nèi)部分布著方向各異的α集束，長(zhǎng)條α沿晶界析出，經(jīng)金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為924℃。

圖1 TC1鈦合金鍛造組織

表1 TC1鈦合金化學(xué)成分

采用熱加工工藝生產(chǎn)3000×1500×1.5mm（寬幅板）TC1鈦合金板材：方案 1：交叉軋制；方案 2：?jiǎn)蜗蜍堉?。軋制后?jīng)退火，剪切，校型，表面處理后得到成品板材。

成品板材頭部切取橫向試樣進(jìn)行熱處理，其熱處理制度見(jiàn)表2，分別觀察顯微組織并檢測(cè)室溫力學(xué)性能，每種制度測(cè)試3個(gè)試樣取平均值。室溫力學(xué)性能檢測(cè)按照GB/T228.1標(biāo)準(zhǔn)在INSTRON 5885電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試[16，17]；試樣經(jīng)腐蝕液(5%HF+10%HNO3+85%H2O)腐蝕后，按照GB/T5168標(biāo)準(zhǔn)在AXIOVERT 200 MAT 金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察[18，19]。

表2 TC1鈦合金板材熱處理制度

2 結(jié)果及分析

2.1 熱處理對(duì)TC1鈦合金寬幅薄板顯微組織影響

2.1.1 熱處理對(duì)TC1鈦合金寬幅薄板交叉軋制組織影響

圖2為方案 1工藝下生產(chǎn)的1.5mmTC1寬幅薄板經(jīng)不同溫度退火后的橫向顯微組織，由圖（a）可以看出，合金在熱加工態(tài)時(shí)已經(jīng)呈現(xiàn)為細(xì)小的等軸組織，主要由近75%的初生α組織和少量β轉(zhuǎn)相組成。經(jīng)650℃～800℃熱處理后，可見(jiàn)組織未發(fā)生明顯變化，仍然為等軸加工組織，晶粒尺寸略有長(zhǎng)大，經(jīng)測(cè)定熱處理溫度區(qū)間內(nèi)平均晶粒尺寸在4.0um～5.6um；熱軋制變形過(guò)程中加熱材料的保溫、變形時(shí)積攢的畸變能和高溫加熱的熱激活能使變形金屬材料一部分加工發(fā)生硬化，另一部分高溫發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶軟化，且終軋溫度較高，熱處理對(duì)其影響不大。

圖2 不同熱處理制度下的方案1成品板材顯微組織

2.1.2 熱處理對(duì)TC1鈦合金寬幅薄板單向軋制組織影響

圖3為方案 2工藝下生產(chǎn)的1.5mmTC1寬幅薄板經(jīng)不同溫度退火后的橫向顯微組織，由圖（a）可以看出，與方案1工藝相同，經(jīng)650～800℃熱處理后可見(jiàn)組織未發(fā)生明顯變化，仍然為等軸加工組織，晶粒尺寸長(zhǎng)大不明顯，經(jīng)測(cè)定熱處理溫度區(qū)間內(nèi)平均晶粒尺寸在3.3um～4.0um；方案2工藝下組織中可以看出黑色的條帶狀組織，TC1板材熱軋開(kāi)坯過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不均勻組織，其實(shí)質(zhì)是變形的針狀 α組織內(nèi)部動(dòng)態(tài)回復(fù)產(chǎn)生的亞晶粒聚合物，亞晶界本身屬于小角度晶界，而小角度晶界的界面能低，晶界移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力低，晶粒難以長(zhǎng)大，這些回復(fù)亞晶在常規(guī)熱處理中并未發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，無(wú)法消除，β 相沿著亞晶界擴(kuò)散，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)出了黑色的條帶狀組織。

圖3 不同熱處理制度下的方案2成品板材顯微組織

2.2 熱處理制度對(duì)TC1鈦合金寬幅薄板力學(xué)性能影響

圖4、圖5分別為方案1、方案2工藝下所得TC1寬幅薄板在650℃～800℃范圍內(nèi)熱處理30min后空冷所得，可以看出兩種工藝下，該合金在650℃～800℃范圍內(nèi)隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均有下降趨勢(shì)，延伸率隨之升高，在720℃退火時(shí)達(dá)到峰值，再往后由于再結(jié)晶后晶粒生長(zhǎng)速率不同，出現(xiàn)粗大晶粒，塑性開(kāi)始下降。這說(shuō)明該合金適合的退火溫度范圍在700℃～750℃；對(duì)比兩種工藝可以看出方案 2工藝比方案 1工藝下合金室溫力學(xué)性能高，方案 2工藝下各制度30分鐘熱處理后抗拉強(qiáng)度接近GB/T3621-2007標(biāo)準(zhǔn)值要求590Mpa～735Mpa，無(wú)富余量[20]；方案 1工藝下各制度30分鐘熱處理后室溫力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，富余量大。

圖4 方案1成品板材不同溫度保溫30min力學(xué)性能

由圖5、圖6分別為方案 2工藝下包覆疊軋所得TC1寬幅薄板在650℃～800℃范圍內(nèi)熱處理30min、60min后空冷所得，可以看出，在相變點(diǎn)以下650℃～800℃范圍內(nèi)退火，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的下降趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，整體抗拉強(qiáng)度值仍然偏高。

圖5 方案2成品板材不同溫度保溫30min力學(xué)性能

圖6 方案2成品板材不同溫度保溫60min力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）TC1板材熱軋開(kāi)坯過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不均勻組織，其實(shí)質(zhì)是變形的片層α組織內(nèi)部動(dòng)態(tài)回復(fù)產(chǎn)生亞晶粒聚合物，這些回復(fù)亞晶在其后退火過(guò)程中并未發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，β相沿著亞晶界擴(kuò)散，呈現(xiàn)出黑色條帶狀組織。

（2）單向軋制和交叉軋制兩種工藝生產(chǎn)TC1寬幅薄板顯微組織均為等軸組織；交叉軋制工藝退火后板材組織更均勻，晶粒尺寸4.0um～5.6um；單向軋制工藝板材退火后組織更加細(xì)小，但存在α亞晶偏聚的未再結(jié)晶組織，晶粒尺寸3.3um～4.0um。

（3）TC1寬幅薄板在交叉軋制工藝下，熱處理制度選擇為720℃/30min時(shí)，可獲得塑性與強(qiáng)度的最佳匹配。