固溶溫度和二次固溶對TA19鈦合金顯微組織的影響

和 磊，韓何巖

(陜西宏遠航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713801)

由于鈦合金具有較高的淬透性和比強度、優(yōu)異的冷熱成形性能以及良好的可焊接性，可以通過不同的熱處理方法獲得不同的強韌性匹配，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、核電、船舶等領(lǐng)域[1-2]。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫鈦合金的開發(fā)越來越受到研究者的重視。目前，高溫鈦合金主要基于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金進行成分調(diào)配獲得不同的力學(xué)性能，美國在該合金系的基礎(chǔ)上開發(fā)了Ti-6242S和Ti-1100，英國添加Nb、C 元素開發(fā)了IMI834，俄羅斯添加W元素開發(fā)了BT25Y和BT36，中國通過添加合金元素Nb開發(fā)了Ti60[3-4]，以上鈦合金的使用溫度均達到600 ℃且性能優(yōu)良。

TA19鈦合金是基于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金研制的一種近α型高溫鈦合金[5-6]，對應(yīng)的國外合金牌號為Ti6242S[7-9]，名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si。該合金強度高、韌性高、抗蠕變性能良好，使用溫度可達550 ℃，主要應(yīng)用于航空發(fā)動機的整體葉盤、葉片和機匣[10-11]，在軍用和民用航空發(fā)動機上被廣泛應(yīng)用。鈦合金的顯微組織對力學(xué)性能具有重要影響，可以通過不同的熱處理制度調(diào)節(jié)α相含量、尺寸以及初生α相與次生α相的比例，改善鈦合金的力學(xué)性能[12-13]。國內(nèi)外學(xué)者就熱處理制度與鈦合金顯微組織匹配關(guān)系進行了大量研究。

本試驗以TA19某盤類鈦合金鍛件為研究對象，對不同固溶溫度以及二次固溶對TA19合金顯微組織的影響進行了研究，以觀察在不同固溶溫度下和二次固溶后該合金顯微組織的相組成、相比例和形貌，為TA19鈦合金鍛件在生產(chǎn)中的熱處理參數(shù)制定提供理論和實踐經(jīng)驗。

1 試驗材料與方法

試驗采用某原材料廠制造的TA19鈦合金鑄錠，該鑄錠經(jīng)3次真空自耗電弧(VAR)熔煉，在β相變點上進行開坯，并經(jīng)α+β兩相區(qū)多火次鍛造，最終制成規(guī)格為φ230 mm的棒材，其化學(xué)成分見表1，采用淬火金相法測得其相變溫度為1010 ℃。

該棒材經(jīng)α+β兩相區(qū)預(yù)鍛和模鍛成TA19鈦合金盤鍛件，鍛件的有效厚度為100 mm左右，鍛態(tài)顯微組織如圖1所示?？梢钥闯?，該合金鍛態(tài)顯微組織為雙態(tài)組織，初生α相含量在55%左右，初生α相形貌多為等軸狀，少量為短棒狀，尺寸為4～30 μm。

圖1 鍛件顯微組織Fig.1 Microstructure of forging

在鍛件上切取2個尺寸大小為20 mm×20 mm×20 mm試樣，分別在995 ℃和975 ℃固溶溫度下保溫1 h后空冷，研究固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織的影響。再分別對試樣進行二次固溶，固溶制度為975 ℃×1 h，采用水冷的方式，盡可能保留該合金的高溫組織形態(tài)，研究二次固溶對TA19鈦合金顯微組織的影響。具體的試驗方案見表2。

采用奧林巴斯GX71金相顯微鏡對鈦合金顯微組織進行觀察，腐蝕劑為HF：HNO3：H2O=1:2:50，腐蝕時間為10s，腐蝕溫度為室溫。

表2 熱處理試驗方案Table 2 Heat treatment test scheme

2 結(jié)果與分析

2.1 固溶溫度對合金顯微組織的影響

不同固溶溫度下TA19鈦合金的顯微組織如圖2所示。與圖1鍛態(tài)的顯微組織相比，固溶處理后合金的顯微組織形貌和初生α相含量變化較大。經(jīng)975 ℃(Tβ-35 ℃)固溶處理后，鍛態(tài)顯微組織中的短棒狀α相發(fā)生了溶解，初生α相的含量明顯降低，尺寸略有增加；而經(jīng)995 ℃(Tβ-15 ℃)固溶處理后，鍛態(tài)顯微組織中的初生等軸α相大部分發(fā)生了溶解，且尺寸略有減小。

經(jīng)固溶空冷后，合金的顯微組織呈雙態(tài)組織，由初生的等軸α相以及固溶空冷過程中析出的次生片狀α相和β基體組成。當(dāng)固溶溫度為975 ℃(Tβ-35 ℃)時，初生α相含量為35%左右，初生α相尺寸為10～40 μm，β晶粒尺寸為30～35 μm。當(dāng)固溶溫度為995 ℃(Tβ-15 ℃)時，初生α相含量為10%左右，初生α相尺寸為10～30 μm，晶界α相明顯析出，勾勒出了β晶粒的輪廓，初生α相沿β相晶界分布，β晶粒長大，尺寸為60～70 μm。固溶溫度從975 ℃提高到995 ℃時，次生片狀α相變長、變寬，且β晶粒長大。

可見，固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織中的初生等軸α相含量和β晶粒尺寸影響較大。當(dāng)固溶溫度提高時，初生等軸α相含量顯著減少，尺寸也略有減少，原始β晶粒長大，次生片狀α相變長、變寬。

(a)975 ℃×1 h；(b)995 ℃×1 h圖2 不同固溶溫度下合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of the alloy under different solid solution temperatures

2.2 二次固溶對合金顯微組織的影響

二次固溶后合金的顯微組織如圖3所示，二次固溶與首次固溶溫度相同時，合金中的初生等軸α相尺寸和含量基本不變，但邊緣更加圓滑，等軸α相分布更加彌散，晶界α相變化不明顯。合金中首次固溶空冷時析出的次生片狀α相完全回溶進入β基體，且由于冷卻速度快，次生片狀α相來不及析出，發(fā)生了鈦合金馬氏體相變[14]，β相轉(zhuǎn)變成鈦合金馬氏體α′，組織為初生等軸α相+過飽和固溶體α′。見圖3(a)。

二次固溶溫度低于首次固溶溫度時，合金中的初生等軸α相含量和尺寸也基本不變，晶界α相明顯變寬。首次固溶空冷時析出的次生片狀α相部分回溶進入β基體，由于冷卻速度快，次生片狀α相來不及析出，β相轉(zhuǎn)變成鈦合金馬氏體α′。次生片狀α相的析出和回溶具有可逆性，首次固溶冷卻過程中在高于二次固溶溫度時析出的次生片狀α相，未達到回溶溫度，因此保留了下來，并且在二次固溶時長大變寬，組織呈三態(tài)組織，即等軸α相+次生條狀α相+過飽和固溶體α′。見圖3(b)。

(a)975 ℃×1 h+975 ℃×1 h；(b) 995 ℃×1 h+975 ℃×1 h圖3 二次固溶后合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of alloy after secondary solution

可見，采用不高于首次固溶的溫度對TA19鈦合金進行二次固溶時，對合金顯微組織中初生等軸α相含量及形貌幾乎無影響；當(dāng)二次固溶溫度與首次固溶溫度相同時，首次固溶冷卻過程中析出的次生片狀α相完全回溶；當(dāng)二次固溶溫度低于首次固溶溫度時，合金顯微組織中的次生片狀α相尺寸和晶界α相尺寸變化較大，部分首次固溶冷卻過程中析出的次生片狀α相發(fā)生了回溶，而未回溶的次生片狀α相在二次固溶時長大，晶界α相變寬。

3 結(jié)論

1)固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織中的初生等軸α相含量和β晶粒尺寸影響較大，升高固溶溫度時，初生等軸α相含量顯著減少，原始β晶粒尺寸變大，次生片狀α相變長、變寬，而對初生等軸α相的尺寸影響較??；

2)當(dāng)二次固溶溫度不高于首次固溶溫度時，對合金顯微組織中的初生等軸α相含量及形貌幾乎無影響；

3)當(dāng)二次固溶溫度與首次固溶溫度相同時，首次固溶冷卻過程中析出的次生片狀α相完全回溶進β基體；

4)當(dāng)二次固溶溫度低于首次固溶溫度時，首次固溶冷卻過程中析出的部分次生片狀α相回溶進β基體，而未回溶的次生片狀α相在二次固溶時長大、變寬，晶界α相變寬。