時效溫度對TA19 鈦合金棒材顯微組織及性能的影響

文/葛金余，張歡，張雪敏，董軼，王文波，邱巖，王黎陽·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

文章中研究了固溶時效熱處理工藝對TA19 棒材力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：TA19 鈦合金隨著時效溫度的升高，顯微組織中初生α 相的體積分數(shù)和形態(tài)變化不大，次生α 相由少量到充分析出并發(fā)生了聚集長大，從而影響力學(xué)性能。在970℃固溶下，隨時效溫度的升高，TA19 鈦合金的抗拉強度和屈服強度先上升后下降，而合金的塑性與之相反。采用970℃×1.5h AC+(570℃～600℃)×8h AC 的熱處理制度，材料強度與塑性匹配較好。

鈦合金因具有比強度高、中溫性能和耐腐蝕性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。TA19 合金其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 是一種近α 型鈦合金。含有α 相穩(wěn)定元素Al，中性元素Sn 和Zr，同晶型β 相穩(wěn)定元素Mo，共析型β 相穩(wěn)定元素Si；Mo 元素的適量添加能在一定范圍內(nèi)改善此合金的室溫與高溫性能，并且能有效提高熱穩(wěn)定性，從而增強其裝機產(chǎn)品的服役可靠性；而添加元素的綜合作用，可保持長時間持久性能與蠕變性能；一定量Si 元素的添加在合金的局部區(qū)域引起小尺寸析出相的彌散強化，此種彌散相有利于高溫蠕變性能提升，但過量Si 元素的添加，會惡化相關(guān)合金的塑性指標。該合金直到540℃還具有較高的強度，超過了TA11 合金。其比強度比TA14(Ti679）合金優(yōu)越，而蠕變性能比TA11 合金還好，與TA14 合金相當。TA19 鈦合金最高的長期工作溫為500℃，因此被廣泛應(yīng)用于各種型號的航空發(fā)動機，是裝備航空發(fā)動機壓氣機盤與轉(zhuǎn)子葉片的首選材料。張永強，張哲等人研究了固溶溫度和退火溫度對TA19 鈦合金力學(xué)性能的影響。目前關(guān)于時效溫度對TA19 鈦合金棒材的研究與報道較少。本文采用寶鈦集團生產(chǎn)的TA19 鈦合金棒材，研究時效溫度對TA19 鈦合金棒材顯微組織及性能的影響，篩選出強韌匹配的熱處理制度，為工業(yè)生產(chǎn)提供幫助。

試驗材料及方法

為了研究時效溫度與顯微組織及力學(xué)性能之間的關(guān)系，試驗采用寶鈦集團生產(chǎn)的φ796mm 大型鑄錠，該鑄錠經(jīng)真空自耗電弧爐三次熔煉，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φ145mm 的棒材，采用金相法測得其相變溫度為1010℃。試驗所用試樣采用線切割取樣，取樣部位均為棒材中心部位。其合金化學(xué)成分見表1。在該棒材上截取樣段經(jīng)過970℃×1.5h AC 固溶處理，再進行480℃～690℃保溫8h 的時效處理，其方案見表2。

試驗結(jié)果及分析

時效溫度對顯微組織的影響

時效處理對于此類鈦合金的影響主要在于促進高溫固溶產(chǎn)生的亞穩(wěn)相按一定方式發(fā)生分解。圖1 為TA19 鈦合金在970℃固溶1.5h 空冷后，在480℃～690℃時效8h 后的顯微組織。由圖a ～h 可以看出其顯微組織均為在β 基體上分布著初生α相和時效過程中析出的細長針狀的次生α 相，初生α 相尺寸為9.4μm，初生α 含量在40%。隨著時效溫度的升高，初生α 相的體積分數(shù)和形態(tài)基本相同，但是次生α 相的形態(tài)呈現(xiàn)明顯的區(qū)別。當在480℃～510℃時效時，由于時效溫度較低，在圖a、b 中只能看到少量針狀α 相的存在。在時效溫度升高到540℃～600℃時，在圖c ～e 中可以看到針狀和片層狀的次生α 相數(shù)量明顯增加，呈彌散分布在β 基體中，說明此時合金元素擴散程度加劇，固溶過程產(chǎn)生的部分α'相開始分解，析出次生α 相。當時效溫度繼續(xù)升高到630℃～690℃時，彌散針狀次生α 相減少，次生α 相發(fā)生了聚集長大。

室溫力學(xué)性能試驗結(jié)果

試樣整體按表2 制度進行熱處理。圖2 為TA19鈦合金在不同時效溫度下的室溫拉伸性能對比圖。隨著時效溫度的升高，TA19 鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度先升高后降低，在600℃時達到了峰值?？估瓘姸葹?030MPa，屈服強度為950MPa。但當時效溫度升高到630℃時，由于次生α 相開始聚集長大，TA19 鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度均下降。在690℃時抗拉強度下降到了1000MPa，屈服強度下降到了940MPa。材料的斷面收縮率隨時效溫度的升高變化不大，隨著時效溫度的升高，材料的斷后延伸率先下降后上升。時效溫度在660℃時斷后延伸率下降到34%。當時效溫度升高到690℃時材料的延伸率又上升至35%，這是由于在510℃以下時時效溫度較低，α'相未能充分分解。當時效溫度升高到由540℃～600℃這一階段，α'相大量分解轉(zhuǎn)變成細小的針狀次生α 相，呈彌散分布在β 基體中，彌散強化效果增強，由于單位面積內(nèi)細小彌散相的大量出現(xiàn)，位錯繞過彌散次生相的難度增加，使得位錯的運動變得更加困難，故而引起材料強度升高和塑性下降。當時效溫度升高至630℃～690℃這一階段，β 基體中細小的針狀次生α 相長大成粗大棒狀的次生α 相。次生α 相尺寸的增長和彌散針狀次生α 相的減少，引起彌散強化效果減弱。故而材料的強度下降而塑性有所提升。

圖2 不同時效溫度下的TA19 室溫拉伸性能對比圖

高溫力學(xué)性能試驗結(jié)果

試樣整體按表2 制度進行熱處理。圖3 為TA19鈦合金在不同時效溫度下的480℃高溫拉伸性能對比圖。由圖3 可以看出，隨著時效溫度的升高，材料的抗拉強度和屈服強度先升高后降低，抗拉強度在570℃達到峰值749MPa，屈服強度在630℃達到峰值592MPa,當時效溫度超過630℃時，由于次生α 相尺寸的增大，單位面積內(nèi)針狀次生α 相數(shù)量的減少，彌散強化效果逐漸減弱，材料的抗拉強度和屈服強度均下降。隨時效溫度的升高，材料的斷面收縮率變化不大，材料的斷后延伸率先下降后升高。

圖3 不同時效溫度下的TA19 棒材高溫拉伸性能對比圖

結(jié)論

本文主要對兩相區(qū)加工的TA19 鈦合金棒材進行了固溶時效熱處理。研究時效溫度對TA19 鈦合金棒材顯微組織和力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：

⑴隨著時效溫度的升高，顯微組織中初生α 相的體積分數(shù)和形態(tài)變化較小，次生α 相的析出由少量到充分析出并且發(fā)生聚集長大。

⑵在970℃固溶下，TA19 鈦合金棒材隨著時效溫度的升高，抗拉強度和屈服強度先升高后降低，斷后延伸率先降低后升高。

⑶在TA19 鈦合金棒材生產(chǎn)中，采用970℃×1.5h AC+(570℃～600℃)×8h AC 的熱處理制度，材料的強度與塑性匹配較好。