熱處理厚度對(duì)TC25G 鈦合金組織和性能的影響

本文采用

260mm 規(guī)格的TC25G 鈦合金棒材，通過室溫拉伸、高溫拉伸、室溫沖擊及金相等多種手段，研究了試樣厚度對(duì)棒材力學(xué)性能和顯微組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在T

-30℃/2h+AC →560℃/6h+AC 的熱處理?xiàng)l件下，由于導(dǎo)熱率不佳，隨著試樣厚度的增加，空冷時(shí)棒材心部的保溫時(shí)間也隨之增加，次生α 相粗化，彌散強(qiáng)化效果降低，棒材的室溫抗拉強(qiáng)度、室溫屈服強(qiáng)度、高溫抗拉強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度及沖擊韌性等均呈下降趨勢(shì)，延伸率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)則逐漸上升。隨著試樣厚度增加，棒材心部高溫區(qū)范圍也隨之增大，在坯料的厚度超過100mm后，保溫時(shí)間均可使棒材的0.25H(H 為試樣厚度）和0.5H 處的次生α 相充分析出并粗化，試樣的性能趨于一致。

川西北高寒草地位于青藏高原東緣，草地畜牧業(yè)是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。但由于川西北高寒草地海拔高，氣候寒冷，牧草生長期短，冷季長達(dá)8個(gè)月，一直以來天然草地牧草供給的季節(jié)性不平衡嚴(yán)重制約著草地畜牧業(yè)的高效發(fā)展[1]。因此，在青藏高原川西北牧區(qū)通過人工種草和天然草地打草調(diào)制青貯飼料，不僅是解決冬春季節(jié)飼草料嚴(yán)重不足的有效措施，同時(shí)也是提高畜牧業(yè)生產(chǎn)水平的有效手段[2-3]。

TC25G 鈦合金是在蘇聯(lián)BT2 合金的基礎(chǔ)上調(diào)整了Mo、Zr、W 等合金元素的含量，其名義成分為Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si，屬于馬氏體型α+β 兩相鈦合金，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，已經(jīng)在航空航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，常被推薦為450 ～550℃使用的壓氣機(jī)輪盤和轉(zhuǎn)子葉片等材料。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，為了提高結(jié)構(gòu)效益、延長使用壽命，在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造中采用了許多大型整體鍛件，也就意味著大的截面厚度。為使TC25G 鈦合金大規(guī)格鍛件整體熱處理后的力學(xué)性能和顯微組織符合Q/1S M 1219-2020《航空用TC25G 鈦合金鍛件規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別選取整體試樣厚度為125mm、100mm、75mm、50mm 的棒材進(jìn)行了熱處理試驗(yàn)研究。

①集中培訓(xùn)，效率較高，讓新員工迅速了解醫(yī)院概況。相較于去其他醫(yī)院的同學(xué)，有的沒有集中的新員工培訓(xùn)，還有需自己抽時(shí)間參加培訓(xùn)，筆者參與的全脫產(chǎn)培訓(xùn)結(jié)束時(shí)，可以對(duì)單位初步形成了組織架構(gòu)圖。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為

260mm 規(guī)格的TC25G 鈦合金棒材，其原始顯微組織如圖1 所示。棒材原始顯微組織為雙態(tài)組織，原始β 晶粒被充分破碎，初生α 相形貌呈橢圓形或球形，含量(體積分?jǐn)?shù)，下同）約為25%，尺寸約3 ～20μm，β 轉(zhuǎn)變基體中次生α 相形貌平直成束，并均勻分布于基體之中。采用金相法測(cè)定棒材β 相轉(zhuǎn)變溫度(T

）為977℃，從棒材上鋸切一支

260×180mm 的棒料，按照?qǐng)D2 所示，采用線切割機(jī)將該棒材分成厚度分別為50mm、75mm、100mm、125mm 的 試 樣， 分 別 標(biāo) 識(shí) 為B1、B2、B3、B4。隨后，對(duì)這些試樣進(jìn)行以下熱處理(T

-30℃/2h+AC →560℃/6h+AC）：T

-30℃裝爐，保溫2h，出爐空冷(流動(dòng)空氣）；560℃裝爐，保溫6h，出爐空冷。最后對(duì)各不同厚度試樣進(jìn)行力學(xué)性能與顯微組織檢測(cè)。

結(jié)果與分析

室溫力學(xué)性能

Q/1S M 1219-2020 規(guī)定了需對(duì)棒材的高溫性能進(jìn)行檢測(cè)，因此本文對(duì)不同熱處理厚度的TC25G試樣也進(jìn)行了400℃的高溫性能檢測(cè)，如表2、圖6和圖7 所示。隨著試樣熱處理厚度的增加，高溫拉伸強(qiáng)度和高溫屈服強(qiáng)度表現(xiàn)出了和室溫拉伸性能類似的規(guī)律。當(dāng)熱處理厚度由50mm 提升至125mm，棒材的0.25H 處高溫抗拉強(qiáng)度由912.9MPa 降低至789.55MPa，高溫屈服強(qiáng)度則由755.05MPa 降低至631.7MPa。在0.5H 處，其高溫抗拉強(qiáng)度由845.2MPa降低至775.95MPa，高溫屈服強(qiáng)度則由674.1MPa 降低至652.0MPa。但0.25H 和0.5H 處的合金塑性則呈波動(dòng)狀態(tài)，無顯著單調(diào)上升或下降趨勢(shì)。此外，當(dāng)試樣的厚度達(dá)到100mm 后，0.25H 和0.5H 處的合金高溫性能趨于一致，此時(shí)兩處的高溫抗拉強(qiáng)度分別為793MPa 和826MPa，高溫屈服強(qiáng)度分別為667.5MPa和655.0MPa，延伸率分別為20.52%和22.42%。

對(duì)表1 中室溫拉伸的相關(guān)數(shù)據(jù)求均值后，繪制了B1、B2、B3、B4 四組試樣在0.25H、0.5H 位置各項(xiàng)性能隨熱處理試樣厚度的演變規(guī)律，分別如圖3 和圖4 所示。從中可見試樣在0.25H、0.5H 位置的強(qiáng)度均隨其熱處理厚度增加而降低。當(dāng)試樣厚度由50mm 增加至125mm，在0.25H 處，其抗拉強(qiáng)度由1139.95MPa 降低至1119.90MPa，屈服強(qiáng)度則由1021.30MPa 降低至1003.45MPa。在0.5H 處，其抗拉強(qiáng)度由1182.25MPa 降低至1109.60MPa，屈服強(qiáng)度則由1049.90MPa 降低至1007.4MPa。與之對(duì)應(yīng)的，棒材的塑性則顯著上升，在0.25H 處，其延伸率由11.85% 升高至13.98%，在0.5H 處，其延伸率由11.92% 提升至13.88%。此外，當(dāng)試樣的厚度達(dá)到125mm 后，在0.25H 和0.5H 處的合金性能趨于一致，此時(shí)兩處的抗拉強(qiáng)度分別為1119.9MPa 和1109.6MPa， 屈 服 強(qiáng) 度 分 別 為1003.45MPa 和1007.4MPa，延伸率分別為13.98%和13.88%。

煌綠乳糖膽鹽肉湯(BGLB)、結(jié)晶紫中性紅膽鹽瓊脂(VRBA)：北京陸橋技術(shù)股份有限公司；氫氧化鈉(粒)、無水碳酸鈉、硫酸銅：天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；酒石酸鉀鈉：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；福林酚：北京索萊寶科技有限公司，以上試劑均為分析純。

圖5 展示了試樣在0.25H、0.5H 位置的沖擊韌性隨熱處理厚度的變化規(guī)律，從中可以看到，隨著試樣熱處理厚度的增加，棒材的沖擊性能呈下降趨勢(shì)，且同一試樣在0.5H 位置的沖擊值略高于0.25H。如此處呈下降趨勢(shì)，可能與時(shí)效溫度偏低有關(guān)。當(dāng)時(shí)效溫度偏低時(shí)，次生α 相未充分形核，隨著保溫時(shí)間延長，形核數(shù)量增加，與之對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度上升，塑性下降。

高溫力學(xué)性能

為了充分反映坯料厚度對(duì)合金性能的影響規(guī)律，及其由坯料邊部至心部的變化情況，在試樣塊完成熱處理后，分別測(cè)量了不同試樣塊在0.25H 和0.5H 位置的室溫拉伸和沖擊性能。如表1 所示，四支坯料的室溫抗拉強(qiáng)度、室溫屈服強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且裕量較多，但沖擊韌性普遍不符合技術(shù)要求。

圖8、圖9、圖10、圖11 分別顯示了B1、B2、B3、B4 四種不同厚度試樣表層、0.25H 和0.5H 處的金相組織，可以看出四個(gè)試樣的顯微組織均由β 轉(zhuǎn)變組織和均勻分布其上的初生α 相構(gòu)成。初生α 相呈等軸狀或碎片狀，尺寸約5 ～20μm。次生α 以片層狀或細(xì)針狀形式存在。對(duì)比四組試樣不同位置的次生α 相形貌與分布，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：隨著樣品厚度的增加，樣品表層的顯微組織變化不大，片層狀的次生α 相厚度較小，但在0.25H 和0.5H 處，次生α 相的厚度隨試樣厚度的增加而增加。此外，在試樣厚度為50mm 時(shí)，在表層、0.25H、0.5H 等3 處的次生α相尺寸基本一致；當(dāng)試樣厚度達(dá)到75mm時(shí)，0.25H 處次生α 相未見明顯長大，0.5H 處的次生α相已明顯粗化；當(dāng)試樣厚度達(dá)到100mm 時(shí)，0.25H和0.5H 處次生α 相片層均發(fā)生了粗化，同時(shí)0.5H處的粗化程度進(jìn)一步增加；當(dāng)試樣達(dá)到125mm 厚時(shí)，0.25H 和0.5H 處的次生α 相厚度達(dá)到最大，且兩個(gè)位置片層厚度接近。以上規(guī)律與合金常溫拉伸所顯示出的力學(xué)性能規(guī)律可實(shí)現(xiàn)機(jī)理性匹配，即次生α 相是合金的主要強(qiáng)化相，試樣熱處理有效厚度的增加，提升了坯料0.25H 和0.5H 處的保溫時(shí)間，引起次生α 相的粗化，因此試樣的強(qiáng)度隨之降低，塑性隨之提高。

顯微組織

甄選自2016年2月—2018年2月前來我院診治的膝關(guān)節(jié)損傷患者200位作為本次分析研究的對(duì)象，本次參與研究分析的200例患者在入院后都經(jīng)過了CT、X線、關(guān)節(jié)鏡和內(nèi)鏡的檢測(cè)對(duì)病情進(jìn)行了確認(rèn)，還有手術(shù)外科的明確診斷結(jié)果。這組患者中男性為136位，女性為64位，年齡分布為19至61歲，平均年齡為35.51±3.26歲，受傷情況為：交通事故導(dǎo)致傷121位，被重物砸傷的58位，跌傷的21位。

結(jié)論

本文測(cè)試了不同熱處理試樣的室溫拉伸力學(xué)性能和高溫拉伸力學(xué)性能，并對(duì)合金的金相組織進(jìn)行了檢測(cè)，得到如下結(jié)論：

⑴TC25G 合金的淬透性較低，在T

-30℃/2h+AC →560℃/6h+AC 的熱處理?xiàng)l件下，本文所涉及的四個(gè)規(guī)格試樣均體現(xiàn)出了0.25H處強(qiáng)度高于0.5H，塑性則相反的現(xiàn)象，與時(shí)效溫度偏低有關(guān)。

⑵隨著試樣熱處理厚度的增加，坯料0.25H 和0.5H 處的強(qiáng)度顯著降低，塑性則明顯提升，可見熱處理厚度對(duì)試樣的強(qiáng)塑性有顯著影響。

⑶當(dāng)試樣厚度達(dá)到125mm，坯料0.25H 和0.5H處的室溫性能趨于一致，當(dāng)試樣厚度達(dá)到100mm，坯料0.25H 和0.5H 處的高溫性能趨于一致。