超低間隙TC4-DT鈦合金厚板顯微組織與力學(xué)性能研究

侯紅苗，秦 成，潘 浩，郭 萍，張永強(qiáng)

(西北有色金屬研究院, 陜西 西安 710016)

鈦合金因其較高的比強(qiáng)度，優(yōu)異的耐蝕性和熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、石油、化工、兵器等領(lǐng)域[1]，產(chǎn)品涉及棒材、板材、型材、鍛件、管材等[2]。Ti-6Al-4V屬于α+β型鈦合金，是目前航空制造領(lǐng)域中應(yīng)用最為成熟、用量最大的鈦合金。TC4-DT鈦合金是我國針對(duì)新一代飛機(jī)長(zhǎng)疲勞壽命和高損傷容限的設(shè)計(jì)要求，在Ti-6Al-4V合金基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化成分開發(fā)的一種中強(qiáng)損傷容限型鈦合金[3]。該合金具有中等強(qiáng)度、高斷裂韌度、高損傷容限和長(zhǎng)疲勞壽命等優(yōu)良性能，在與其他中等強(qiáng)度鈦合金強(qiáng)塑性相當(dāng)?shù)臈l件下，TC4-DT鈦合金具有較高的斷裂韌度以及較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，已成為我國新型飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料[4]。

近年來，已有部分研究人員就退火溫度對(duì)TC4-DT鈦合金組織與性能的影響進(jìn)行了研究[5-9]。郭萍等[5,6]研究了TC4-DT鈦合金在β相區(qū)的損傷容限性能及片層組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響規(guī)律。王雷等[7]研究了網(wǎng)籃組織TC4-DT鈦合金在不同應(yīng)變幅值下的低周疲勞性能。孫洋洋等[8]研究了雙態(tài)組織和片層組織TC4-DT鈦合金的低周疲勞性能，研究發(fā)現(xiàn)在最大應(yīng)力(750 MPa)水平下，雙態(tài)組織具有更加優(yōu)異的疲勞性能?，F(xiàn)有研究大多注重TC4-DT鈦合金的損傷容限性能及疲勞性能，少有涉及熱處理工藝對(duì)超低間隙TC4-DT鈦合金板材組織與性能的影響。

本研究結(jié)合實(shí)際使用需求，通過優(yōu)化熔煉工藝獲得超低間隙TC4-DT鈦合金厚板，并進(jìn)行固溶+時(shí)效處理獲得雙態(tài)組織，研究其顯微組織及力學(xué)性能的變化，以期獲得板材強(qiáng)度-塑性-韌性良好匹配的熱處理工藝，為TC4-DT鈦合金厚板的批量生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選用優(yōu)質(zhì)海綿鈦、Al-V中間合金、鋁豆等原料，通過優(yōu)化熔煉工藝參數(shù)，經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉制備出超低間隙TC4-DT鈦合金鑄錠，化學(xué)成分見表1。鑄錠上、中、下部位化學(xué)成分均勻，其雜質(zhì)元素含量明顯低于GB/T 3620.1—2016 《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》要求。

表1 TC4-DT鈦合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)

鑄錠經(jīng)開坯鍛造后，制成32 mm厚板材。板材原始組織由等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，組織分布均勻，無加工流線，如圖1所示。采用金相法測(cè)得合金的相變點(diǎn)為965～970 ℃。

圖1 TC4-DT鈦合金厚板的原始組織

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

沿TC4-DT鈦合金厚板縱向切取試樣，分別加工成拉伸試樣(φ10 mm×65 mm)、斷裂韌度試樣(62.5 mm×60 mm×25 mm)和金相試樣(10 mm×10 mm×10 mm)。按表2所示熱處理制度對(duì)各類試樣進(jìn)行固溶+時(shí)效處理。金相試樣腐蝕后，采用OLYMPUS PMG3 光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-6460掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行顯微組織觀察，其中腐蝕試劑配比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶6。采用Instron 1185電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試。利用QBG-50疲勞試驗(yàn)機(jī)在斷裂韌度試樣上預(yù)制疲勞裂紋，采用ETM105D電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行斷裂韌度測(cè)試。采用JSM-6460 SEM觀察斷裂韌度試樣的斷口形貌。

表2 TC4-DT鈦合金厚板熱處理制度

2 結(jié)果與討論

2.1 固溶溫度對(duì)板材顯微組織和力學(xué)性能的影響

圖2為TC4-DT鈦合金厚板經(jīng)不同溫度固溶+時(shí)效處理后的顯微組織。從圖2可以看出，經(jīng)固溶+時(shí)效處理后板材顯微組織由初生等軸α相和次生α相組成。隨著固溶溫度的升高，初生α相含量逐漸減少，晶粒尺寸也隨之減小，次生α相逐漸析出，且含量隨之增多。因此，固溶溫度對(duì)初生α相和次生α相含量及尺寸有著顯著影響。

圖2 不同溫度固溶+時(shí)效處理TC4-DT鈦合金厚板的顯微組織

圖3給出了不同固溶溫度下TC4-DT鈦合金厚板組織中初生α相的含量。從圖3可以看出，當(dāng)固溶溫度升高至960 ℃時(shí)，初生α相含量急劇降低，由945 ℃時(shí)的29%降低至4%。這主要是由于固溶溫度升高，初生α相發(fā)生溶解，轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)定β相，在后續(xù)的熱處理過程中析出次生α相。

圖3 TC4-DT鈦合金厚板初生α相含量隨固溶溫度的變化

TC4-DT鈦合金厚板經(jīng)固溶+時(shí)效處理后的室溫力學(xué)性能見表3。與原始加工態(tài)(R態(tài))板材相比，經(jīng)固溶+時(shí)效處理后，板材的強(qiáng)度和塑性均得到較大幅度的提高。隨著固溶溫度的升高，板材的強(qiáng)度增大，塑性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是由于固溶溫度較低時(shí)，等軸α相含量較高，有利于晶界滑移，從而提高材料的塑性。隨著固溶溫度的升高，生成的次生α相含量增多且呈細(xì)片層狀，經(jīng)后續(xù)時(shí)效處理后可明顯提高板材的強(qiáng)度。

表3 固溶+時(shí)效處理后TC4-DT鈦合金厚板的室溫力學(xué)性能

2.2 固溶溫度對(duì)板材斷裂韌度的影響

圖4為不同固溶溫度下TC4-DT鈦合金斷裂韌度試樣的斷口形貌。固溶溫度為850 ℃時(shí)，斷口均勻平坦；960 ℃時(shí)，斷口較為粗糙，裂紋擴(kuò)展路徑崎嶇不平、起伏較大，且可觀察到與裂紋擴(kuò)展方向垂直的二次裂紋。這是由于裂紋的擴(kuò)展路徑曲折，導(dǎo)致主裂紋分叉，萌生二次微裂紋并擴(kuò)展，這樣可以消耗更多的能量，使裂紋尖端的應(yīng)力得到釋放，因而板材的斷裂韌度較高。這與表3結(jié)果相一致，即斷裂韌度隨著固溶溫度的升高而增大。

圖4 不同溫度固溶+時(shí)效處理TC4-DT鈦合金厚板斷裂韌度試樣的斷口形貌

2.3 冷卻速率對(duì)板材顯微組織和力學(xué)性能的影響

由表3可知，固溶溫度為945 ℃時(shí)TC4-DT鈦合金厚板可獲得較好的強(qiáng)塑性匹配，故在該溫度下考察冷卻速率對(duì)板材性能的影響。圖5為固溶溫度為945 ℃時(shí)，以不同方式冷卻的TC4-DT鈦合金厚板的顯微組織。從OM照片可看出，隨著冷卻速率的降低，等軸α相的含量及尺寸無明顯變化，次生α相逐漸析出長(zhǎng)大(圖5a～5c)。結(jié)合SEM照片可以看出，水冷時(shí)為細(xì)針狀組織(圖5d)，空冷時(shí)為板條狀片層組織(圖5e)，爐冷時(shí)為短棒狀組織(圖5f)。這是由于水冷時(shí)冷卻速率較快，次生α相形核析出來不及長(zhǎng)大，以細(xì)小針狀保留下來。隨著冷卻速率的降低，尤其是爐冷時(shí)冷卻速率極慢，其過程相當(dāng)于時(shí)效，次生α相形核析出，有充足的時(shí)間長(zhǎng)大、變粗，最終成為短棒狀。

圖5 不同冷卻方式固溶+時(shí)效處理TC4-DT鈦合金厚板的顯微組織

表4為經(jīng)不同冷卻方式固溶+時(shí)效處理后TC4-DT鈦合金厚板的室溫力學(xué)性能。從表4可以看出，隨著冷卻速率的降低，板材強(qiáng)度降低。其中，抗拉強(qiáng)度由水冷時(shí)的1010 MPa降低至爐冷時(shí)的788 MPa，降幅達(dá)22%，延伸率及斷面收縮率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。冷卻速率較快時(shí)，生成的細(xì)針狀α相經(jīng)時(shí)效后可明顯提高板材強(qiáng)度，故水冷后板材強(qiáng)度增大，塑性降低。冷卻速率較慢時(shí)，次生α相尺寸增大，減弱了板材的強(qiáng)化效果，故爐冷后板材強(qiáng)度降低，塑性升高。

表4 不同冷卻方式固溶+時(shí)效處理TC4-DT鈦合金厚板的室溫力學(xué)性能

2.4 冷卻速率對(duì)板材斷裂韌度的影響

圖6為不同冷卻方式固溶+時(shí)效處理TC4-DT鈦合金厚板斷裂韌度試樣的斷口形貌。由圖6可知，固溶處理時(shí)水冷和空冷的斷口形貌較爐冷的斷口形貌更為粗糙，且可觀察到二次裂紋，而爐冷的斷口中未發(fā)現(xiàn)有微小裂紋或二次裂紋。另外，空冷后斷口中的二次裂紋較水冷斷口中的裂紋深且長(zhǎng)，表明空冷后板材的斷裂韌度較高，這與表4中的斷裂韌度測(cè)試結(jié)果一致。這是由于冷卻速率較快時(shí)(水冷和空冷)，析出了細(xì)針狀和板條狀的片層組織，片層組織主要提高材料的斷裂韌度。冷卻速率較慢時(shí)(爐冷)，析出的次生α相逐漸長(zhǎng)大，變粗，成為短棒狀，只有少量的殘余β相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)針狀次生α相(圖5f)，致使板材的斷裂韌度降低。

圖6 不同冷卻方式固溶+時(shí)效處理TC4-DT鈦合金厚板斷裂韌度試樣的斷口形貌

3 結(jié) 論

(1) 固溶溫度對(duì)TC4-DT鈦合金厚板的初生α相和次生α相含量及尺寸有著顯著影響。隨著固溶溫度的升高，板材強(qiáng)度及斷裂韌度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，塑性呈降低趨勢(shì)。提高固溶溫度可以適當(dāng)提高板材強(qiáng)度及斷裂韌度。

(2) 隨著固溶處理時(shí)冷卻速率的降低，初生α相的含量及尺寸基本不變，次生α相尺寸增大，由細(xì)針狀長(zhǎng)成為短棒狀，強(qiáng)度降低，塑性升高。冷卻速率較快時(shí)(水冷和空冷)，析出細(xì)針狀和板條狀的片層組織，有利于提高板材的斷裂韌度。

(3) 在固溶+時(shí)效處理中，固溶溫度為945 ℃，經(jīng)水冷或空冷后可以獲得強(qiáng)度-塑性-韌性良好匹配的TC4-DT鈦合金厚板。