β 退火的低溫退火溫度對TC32合金組織和性能的影響

文／張元東，張安，車安達·江西景航航空鍛鑄有限公司

王曉巍，李東寬·沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司

TC32 鈦合金是中國航發(fā)航材院自主研發(fā)的中高強高韌α+β 型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1S。根據(jù)不同的熱加工工藝，TC32 鈦合金可獲得不同的組織和性能：采用兩相區(qū)鍛造＋雙重退火熱處理，鍛件可獲得α+β組織，其綜合性能與同組織狀態(tài)的TA15 相當，具有較高的強韌性和強塑性匹配；采用準β 鍛造＋雙重退火熱處理，鍛件可獲得網(wǎng)籃組織，其綜合性能與同組織狀態(tài)的TC21 相當，具有較高的斷裂韌性和較好的塑性；采用兩相區(qū)鍛造+β 退火熱處理，其綜合性能與TC4-DT 相當，具有很高的斷裂韌性，同時有較高的強度和較好的塑性。針對TC32 合金的熱處理特性，我公司開展了β 退火后的低溫退火溫度的研究，以指導熱加工方案的制定。

試驗用原材料

采用TC32 鈦合金φ380mm 規(guī)格圓棒材，測定其相變點溫度為Tβ=(908±3)℃。使用鋸床下φ380mm×100mm的棒料，按照某標準要求對棒料進行熱處理(880℃，保溫2h，空冷；550℃，保溫6h，空冷)。熱處理后，顯微組織如圖1 所示，低倍組織如圖2 所示，室溫力學性能見表1，高溫拉伸性能見表2。

圖1 原材料熱處理前和熱處理后顯微組織

圖2 原材料熱處理后低倍組織

表1 原材料熱處理后的室溫力學性能

表2 原材料熱處理后的高溫拉伸性能

低溫退火溫度工藝試驗

下料

用φ380mm×85mm的棒料，沿原材料十字中心一分四均勻鋸開，加工出特定規(guī)格坯料4 件，并標記編號(1-B，2-B，3-B，4-B)，如圖3 所示。

圖3 試驗用棒料鋸料示意圖

鍛造

⑴加熱：選用高溫電爐(II 類爐及以上，爐溫均勻性精度±5℃)進行鍛造前加熱，加熱參數(shù)按圖4所示；

圖4 鍛造加熱曲線

⑵鍛造：鍛造設備選用1000t 快鍛，將厚度85mm下壓至50mm(鍛造變形量約40%)，鍛后空冷，并用鋼印打上原有標識。

熱處理

⑴高溫退火：Tβ-30℃保溫75min 后，隨爐升溫至Tβ+15℃保溫35min，冷卻方式：空冷，加熱曲線按圖5 所示；

圖5 β 退火高溫加熱曲線

⑵選用中溫電爐(Ⅲ類爐及以上，爐溫均勻性精度±10℃)進行低溫退火，保溫時間及加熱溫度按表3 所示，低溫退火后空冷。

表3 鍛造溫度試驗試塊鍛造前加熱制度

檢驗

鍛件理化項目按表4 所示，取樣位置按圖6 所示。

圖6 β 退火試驗理化檢測取樣圖

表4 工藝試驗理化檢測項目表

結果和分析

顯微組織對比

試塊經(jīng)過4 種溫度的低溫熱處理后，得到的顯微組織如圖7 ～圖10 所示。經(jīng)β 退火熱處理的TC32鈦合金顯微組織為片層組織特征，具有較大的β 晶粒，在β 晶粒內(nèi)存在不同取向的由α 片層構成的α 集束。在不同低溫退火溫度情況下，顯微組織未出現(xiàn)明顯差異。

圖7 β 退火試驗編號1-B 對應的顯微組織

圖8 β 退火試驗編號2-B 對應的顯微組織

圖9 β 退火試驗編號3-B 對應的顯微組織

圖10 β 退火試驗編號4-B 對應的顯微組織

力學性能對比

試塊經(jīng)4 種溫度的低溫熱處理后，準β 退火試驗拉伸性能理化檢測結果見表5，從圖11 可以看出，4 種溫度的低溫熱處理下室溫拉伸滿足標準要求，富裕量大。而且根據(jù)室溫抗拉強度和塑性的變化規(guī)律，可以看出低溫熱處理溫度在560℃左右時強塑性匹配較好。

圖11 準β 退火試驗1/4 厚度處橫向平均室溫力學性能折線圖

表5 準β 退火試驗拉伸性能理化檢測結果

圖12 為不同溫度的低溫熱處理對平均室溫沖擊性能的影響，可以看出隨著溫度的升高，試塊的沖擊性能先升高后降低，表明在560℃低溫熱處理時得到了較高的沖擊韌性。

圖12 準β 退火試驗1/4 厚度處橫向平均沖擊性能折線圖

試樣經(jīng)不同溫度低溫熱處理后，1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能如圖13 所示，在同一取樣位置處，520℃熱處理溫度下，平均高溫塑性值最高；580℃熱處理溫度下，平均高溫塑性值出現(xiàn)較大幅度下降，強度值變化規(guī)律不明顯。在不同取樣位置處，1/4 取樣厚度處和1/2 取樣厚度處力學性能變化規(guī)律基本一致，且均符合標準要求。

圖13 準β 退火試驗1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能折線圖

試樣經(jīng)不同熱處理方式冷卻后，斷裂韌性檢測結果如表6 所示，試塊1-B 的斷裂韌性達到99MPa ·m1/2以上，試塊2-B 的斷裂韌性達到100MPa·m1/2以上，試塊3-B的斷裂韌性達到101MPa·m1/2以上，試塊4-B的斷裂韌性達到103MPa·m1/2以上，可滿足標準要求的80MPa·m1/2。

表6 準β 退火試驗斷裂韌性檢測結果

結論

⑴經(jīng)過β 退火后，TC32 合金的顯微組織形態(tài)為片層組織，不同低溫退火溫度對組織形態(tài)的影響不大；

⑵經(jīng)過β 退火后，不同低溫退火溫度對TC32合金的室溫性能和高溫性能影響不明顯，采用560℃進行低溫退火時可獲得較理想的綜合性能。