固溶處理對TC4 鈦合金組織和力學性能的影響

周 俊 汪宏斌 徐雨浩 霍慶輝 劉 恒 陳 卓

（1.上海大學 材料科學與工程學院，上海 200444；2.上海電機學院 材料學院，上海 201306；3.上海海洋高端裝備功能型平臺有限公司，上海 201306）

隨著航空裝備的發(fā)展，整體、精密、高性能和輕量化的復雜構(gòu)件應(yīng)用越來越廣泛，高強度、質(zhì)輕、耐腐蝕、無磁性、與復合材料相容性好的鈦合金逐漸成為先進飛機緊固件材料的首要選擇［1-6］。TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金是20世紀50年代發(fā)展起來的一種中等強度的α ＋β型兩相鈦合金，含有質(zhì)量分數(shù)為6%的α 穩(wěn)定元素鋁和4%的β 穩(wěn)定元素釩［7-8］，主要用于制造飛機機身、機翼零件和發(fā)動機葉片等，是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金［9］。

鈦合金的熱處理包括退火、固溶處理、時效、消除應(yīng)力和β相退火等，其中固溶目的是獲得可以產(chǎn)生時效強化的亞穩(wěn)定相，從而獲得高強度和高硬度的緊固件［10］。固溶時效工藝參數(shù)的選取對強化效果的影響非常重要，其中淬火轉(zhuǎn)移時間（即從固溶處理爐爐門打開或鍛件從鹽浴槽開始露出到鍛件全部浸入淬火介質(zhì)所經(jīng)歷的時間）長短直接影響固溶效果，從而影響后續(xù)時效沉淀強化效果。但目前的研究主要集中于固溶溫度和保溫時間對TC4 鈦合金組織和力學性能的影響［11-13］，對淬火轉(zhuǎn)移時間的研究較少。因此，本文在對固溶溫度及冷卻方式研究的基礎(chǔ)上，進一步研究了淬火轉(zhuǎn)移時間對TC4 鈦合金棒顯微組織和力學性能的影響，以獲得該合金強度與塑性匹配良好的熱處理工藝。

1 試驗材料與方法

試驗材料為航天緊固件用TC4 鈦合金棒材，經(jīng)3 次真空自耗熔煉得到鑄錠，經(jīng)開坯、鍛造、軋制成φ9 mm 的棒材，其化學成分如表1 所示，符合GB／T 3620.1—2016《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學成分》的要求。采用連續(xù)升溫金相法測得TC4鈦合金的相變點為（990 ±5）℃。

表1 研究用TC4 鈦合金的化學成分Table 1 Chemical composition of the investigated TC4 titanium alloy

TC4 鈦合金的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（continuous cooling transformation，CCT）曲線［14］如圖1 所示?？梢钥吹?，當冷卻速率為30 ～80 ℃／s時，合金發(fā)生β→α′馬氏體轉(zhuǎn)變，α′馬氏體可以顯著提高強化效果?；贑CT 曲線的相變特征，可通過兩種冷卻方式獲得α′馬氏體：第1種是降低高溫階段的冷卻速率，當冷卻時間為20 s時，TC4 鈦合金的入水溫度應(yīng)高于850 ℃；第2種是提高高溫階段的冷卻速率，當冷卻時間為10 ～20 s時，TC4 鈦合金的入水溫度應(yīng)低于650 ℃。但由于實際生產(chǎn)條件的限制，第1種方案無法實現(xiàn)，本文采用第2 種方案，即采用馬弗爐進行固溶處理，研究固溶溫度、冷卻方式及淬火轉(zhuǎn)移時間對合金組織和性能的影響。具體熱處理制度如表2所示，其中風冷10、15、20 s表示用風冷裝置吹10、15、20 s后水冷，空冷10、15、20 s表示在空氣中靜置冷卻10、15、20s后水冷。

圖1 TC4 鈦合金的CCT曲線［14］Fig.1 CCT curve of TC4 titanium alloy［14］

表2 熱處理工藝參數(shù)Table 2 Heat treatment process parameters

熱處理后的試樣經(jīng)過研磨、拋光后，采用體積比為1∶3∶7的HF ＋HNO3＋H2O 溶液腐蝕15 ～20 s，然后用金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

將熱處理后的TC4 鈦合金棒加工成拉伸試樣，尺寸為φ9 mm ×90 mm，平行段直徑為30 mm，如圖2 所示，采用萬能拉伸試驗機按GB／T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測試其力學性能。

圖2 拉伸試樣尺寸圖Fig.2 Schematic diagram of size for tensile specimen

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固溶溫度對TC4 鈦合金組織與性能的影響

TC4 鈦合金的退火態(tài)組織由初生等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，如圖3 所示。

圖3 TC4 鈦合金的退火態(tài)組織Fig.3 Microstructure of the annealed TC4 titanium alloy

圖4為TC4鈦合金在不同溫度固溶處理1 h水冷后的顯微組織，是一種包括初生等軸α相和細針狀α′相的兩相組織。隨著兩相區(qū)固溶溫度的升高，合金中初生等軸α相含量逐漸減少，1 000 ℃時初生等軸α相完全消失。但不同溫度固溶處理的合金中等軸α相的尺寸變化不大。另外，隨著固溶溫度的升高，細針狀α′相含量增加，說明更多的α相逐漸溶解轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，使得高溫平衡狀態(tài)下初生等軸α相含量逐漸減少，β相含量逐漸增加，從而在水冷過程中產(chǎn)生更多的α′馬氏體。

圖4 TC4 鈦合金在920（a）、940（b）、960（c）、980（d）和1 000 ℃（e）保溫1 h水冷后的顯微組織Fig.4 Microstructures of the TC4 titanium alloys solution treated at 920（a），940（b），960（c），980（d）and 1 000 ℃（e）for 1 h and then water cooled

圖5 為TC4 鈦合金在不同溫度固溶處理和水冷后的XRD圖譜?？梢姾辖鸾M織中沒有β相，只有α 相和α′相衍射峰。這是由于合金在固溶處理過程中α相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，在隨后的水冷過程中，由于水冷速較快，β相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢湎唷?/p>

圖5 TC4鈦合金經(jīng)不同溫度固溶處理和水冷后的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the TC4 titanium alloys solution treated at different temperatures and then water cooled

不同溫度固溶處理的TC4 鈦合金的力學性能如圖6 所示?？梢钥闯?，隨著兩相區(qū)固溶溫度的升高，合金的抗拉強度和屈服強度提高，斷面收縮率和斷后伸長率顯著降低。960 ℃固溶處理的合金強度及塑性達到良好匹配。但當固溶溫度高于β相轉(zhuǎn)變點時，合金的強度和塑性均下降。這是因為在單相區(qū)固溶，高溫下僅存在β 相，水冷后形成尺寸粗大的α′馬氏體，粗大的α′馬氏體板條無法協(xié)調(diào)變形，導致材料的塑性變形階段縮短［15］，強度和塑性下降。TC4 鈦合金固溶處理后的力學性能與初生等軸α 相和針狀α′相含量有一定對應(yīng)關(guān)系。等軸α 相含量越高，塑性越好；針狀α′相含量越高，強度越高［16］。

圖6 TC4 鈦合金經(jīng)不同溫度固溶處理后的力學性能Fig.6 Mechanical properties of the TC4 titanium alloys solution treated at different temperatures

2.2 冷卻方式對TC4 鈦合金組織與性能的影響

圖7 為TC4 鈦合金在960 ℃固溶處理1 h后分別風冷＋水冷、水冷和空冷后的顯微組織。從圖7（a，b）可見，風冷10 s ＋水冷和風冷15 s ＋水冷合金的組織差別不大，均由條狀α相和針狀α′馬氏體組成，前者針狀α′馬氏體的含量高于后者；當風冷時間延長至20 s時（圖7（c）），α 相形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀，并出現(xiàn)了次生片層α 相和片層β相，其晶粒尺寸比風冷10 和15 s合金的都大。這是由于風冷時間越長，試樣入水越晚，故風冷時間長的冷速較慢，在冷卻過程中原子有充足的時間擴散，有利于次生α 相的形核和長大。從圖7（d）可以看到，水冷合金的組織由初生等軸α 相及細針狀α′相組成，即保留了高溫β 相，也發(fā)生了馬氏體相變，β 相轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的α′相和α″相，為后續(xù)時效析出提供了良好的組織［17］。從圖7（e）可見，空冷合金的組織為初生等軸α 相以及片層α相和片層β相。這是由于空冷速率較慢，合金元素充分擴散，高溫β相發(fā)生轉(zhuǎn)變，使次生α相在初生α 相和β 相界面形核，向β 相晶內(nèi)生長，形成了片層α相和β相交替的β轉(zhuǎn)變組織。

圖7 在960 ℃固溶處理1 h后采用不同方式冷卻的TC4 鈦合金的顯微組織Fig.7 Microstructures of the TC4 titanium alloys solution treated at 960 ℃for 1 h and then cooled by different modes

圖8為不同方式冷卻的TC4鈦合金的XRD圖譜。從圖8可知，風冷20 s ＋水冷和空冷的合金均有α-Ti和β-Ti 衍射峰，而風冷10 s ＋水冷、風冷15 s ＋水冷以及水冷的合金沒有β-Ti衍射峰。

圖8 固溶處理隨后以不同方式冷卻的TC4 鈦合金的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of the TC4 titanium alloys solution treated and then cooled by different methods

圖9為固溶處理后以不同方式冷卻的TC4 鈦合金的力學性能?？梢婋S著風冷時間的延長，合金強度整體呈下降趨勢，風冷10 和15 s的合金塑性比風冷20 s合金的略低。這是由于風冷20 s的合金含有初生等軸α相，其可開動的滑移系較多，在變形過程中，滑移首先在α晶粒內(nèi)開動，α晶粒越多開動的滑移系越多，塑性越好。但上述3 個風冷＋水冷合金的強度和塑性均低于水冷合金，這與水冷形成的初生等軸α 相及細針狀α′相的含量有關(guān)，初生等軸α相含量越多，塑性越好；細針狀α′相含量越多，強度越高。因此，水冷合金的力學性能最佳，若實際工藝達不到直接水冷的要求，可以選用風冷15 s ＋水冷的冷卻方式。

圖9 固溶處理后以不同方式冷卻的TC4 鈦合金的強度（a）和塑性（b）Fig.9 Strengths（a）and plasticities（b）of the TC4 titanium alloys cooled by different modes after solution treatment

2.3 空冷條件下淬火轉(zhuǎn)移時間對TC4 鈦合金組織與性能的影響

圖10 為在960 ℃固溶處理1 h 后分別空冷10、15、20 s再水冷的TC4 鈦合金的顯微組織。從圖10（a，b）可以看出，空冷10 s的合金組織由條狀α相和α′馬氏體組成。由于水冷速率較快，原子擴散不充分，高溫β 相在冷卻過程中發(fā)生了馬氏體相變，生成了亞穩(wěn)態(tài)的α′馬氏體。由圖10（a）可以看出，相對細小的α′相分布在板條α 相之間。隨著空冷時間進一步延長至15 和20 s，條狀α相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sα相。由圖10（b，d）可以看出，空冷15 s的合金中α′馬氏體含量較空冷10 s的合金的少。這主要是由于空冷時間延長，馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms降低，導致β 相轉(zhuǎn)變不完全，α′馬氏體含量減少［18］。

圖10 固溶處理后空冷10（a，b）、15（c，d）和20 s（e，f）再水冷的TC4 鈦合金的顯微組織Fig.10 Microstructures of the TC4 titanium alloys solution treated，then air cooled for 10（a，b），15（c，d），20 s（e，f），and water cooled

空冷20 s的合金組織與空冷10 和15 s的合金相差較大，結(jié)合圖11 空冷不同時間的TC4 鈦合金的XRD 圖譜可知，空冷20 s 的合金沒有α′馬氏體。這主要是由于隨著空冷時間的延長，冷卻速率降低，高溫β相中的合金元素在冷卻過程中發(fā)生擴散型轉(zhuǎn)變，造成次生α相在初生α與β相界面形核并向晶內(nèi)長大，形成片層α 和β 相組織。另外α′馬氏體是在較快的冷卻速率下形成的，由于空冷時間的延長，冷卻速率降低，因此空冷20 s的合金沒有形成α′馬氏體。在空冷＋水冷條件下，空冷不同時間的TC4 鈦合金的XRD圖譜如圖11 所示?？梢钥吹剑绽?0 和15 s的合金沒有β-Ti衍射峰，空冷20 s的合金組織由α相與β相構(gòu)成。

圖11 固溶處理后空冷不同時間再水冷的TC4 鈦合金的XRD圖譜Fig.11 XRD patterns of the TC4 titanium alloys solution treated，then air cooled for different times，and water cooled

圖12 為在960 ℃固溶處理1 h 后分別空冷10、15、20 s再水冷的TC4 鈦合金的力學性能。從圖12 可以看出：隨著空冷時間的延長，合金的抗拉強度和屈服強度均下降。這是因為隨著空冷時間的延長，β相向穩(wěn)定α相的轉(zhuǎn)變更充分，而亞穩(wěn)定β相、α′相和α″相含量減少［19］，導致強度下降；另一方面，空冷15 s合金的初生等軸α相尺寸最大，其次是空冷20、10 s的合金。晶粒尺寸越大，可以開動的滑移系越多，合金塑性越好，但變形協(xié)調(diào)性變差，塑性降低［20］。這兩方面的綜合作用導致空冷20 s合金的塑性最好，空冷10 s的合金塑性最差。綜合考慮，空冷時間為10 s的TC4 鈦合金強度最高，且α′相含量最多，有利于后續(xù)時效過程沉淀相的析出。

圖12 在960 ℃固溶處理1 h后空冷不同時間再水冷的TC4 鈦合金的強度（a）和塑性（b）Fig.12 Strengths（a）and plasticities（b）of the TC4 titanium alloys solution treated at 960 ℃for 1 h and air cooled for different times，and water cooled

3 分析與討論

TC4 鈦合金在穩(wěn)定狀態(tài)下含有少量β 相，而釩屬于β 同晶型元素，使合金能熱處理強化，因此與單相區(qū)固溶相比，兩相區(qū)固溶TC4 鈦合金的強度明顯提升。淬火轉(zhuǎn)移速度對TC4 鈦合金強度的影響較大［18］。GB／T 23605—2020《鈦合金β轉(zhuǎn)變溫度測定方法》要求淬火轉(zhuǎn)移時間不超過10 s，然而在實際生產(chǎn)中由于設(shè)備原因通常會超過10 s，影響鈦合金的組織和性能。本文研究的風冷＋水冷方式有效延長了淬火轉(zhuǎn)移時間，使風冷條件下淬火轉(zhuǎn)移時間為15 s 的合金與空冷條件下淬火轉(zhuǎn)移時間為10 s 的合金獲得了相近的組織與性能。圖13 和圖14 分別為以兩種方式冷卻的TC4 鈦合金的顯微組織和力學性能。從圖13可見，空冷10 s ＋水冷與風冷15 s ＋水冷合金的α相均呈條狀，但后者晶粒更細??；從圖14 可見，兩種方式冷卻的合金強度接近，但風冷15 s ＋水冷的合金的斷后伸長率和斷面延伸率較空冷10 s ＋水冷的合金略高。這是由于風冷15 s ＋水冷的合金α相的晶粒尺寸較空冷10 s ＋水冷的合金小，晶粒尺寸越小，晶界面積越大，而晶界可以有效阻礙滑移，從而導致合金的變形協(xié)調(diào)性變差，塑性降低。由于設(shè)備等硬件條件的限制，實際生產(chǎn)中難以達到淬火轉(zhuǎn)移時間不超過10 s的要求，因此可以考慮采用風冷15 s ＋水冷的方式，也可以獲得強度和塑性匹配良好的TC4 鈦合金。

圖13 固溶處理后以兩種方式冷卻的TC4 鈦合金的顯微組織Fig.13 Microstructures of the TC4 titanium alloys solution treated then cooled by two modes

圖14 固溶處理后以兩種方式冷卻的TC4 鈦合金的強度（a）和塑性（b）Fig.14 Strengths（a）and plasticities（b）of the TC4 titanium alloys solution treated then cooled by two modes

4 結(jié)論

（1）隨著兩相區(qū)固溶溫度的升高，TC4 鈦合金中初生等軸α相含量逐漸減少，細針狀α′相含量增加；合金的抗拉強度和屈服強度提高，但斷面收縮率和斷后伸長率顯著降低，960 ℃固溶處理的合金強度及塑性達到良好匹配。

（2）TC4 鈦合金固溶處理后的冷卻方式?jīng)Q定其相組成：α ＋β兩相區(qū)固溶后空冷組織由等軸α相和片層α相及β相組成；水冷組織由等軸α相和α′馬氏體組成；風冷10、15 s ＋水冷組織由條狀α相和晶界針狀α′馬氏體組成；風冷20 s ＋水冷組織為等軸α 相、次生片層α 相和片層β 相；空冷10 s ＋水冷組織由條狀α相和α′馬氏體構(gòu)成；空冷15 s ＋水冷組織由等軸α 相和α′馬氏體構(gòu)成；空冷20 s ＋水冷組織由等軸α 相和片層α 相及β相構(gòu)成。

（3）固溶處理后水冷的TC4 鈦合金力學性能最佳，若實際工藝達不到直接水冷的要求，可采用風冷15 s ＋水冷的冷卻方式。