熱處理工藝對(duì)大規(guī)格TC17鈦合金棒材組織與力學(xué)性能的影響

近年來(lái)，隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料規(guī)格及性能提出了更高的要求[1]。TC17鈦合金作為一種富β型兩相鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌和高淬透性，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的重要候選材料之一[2-3]。在中溫下，TC17鈦合金的強(qiáng)度超過(guò)Ti-6Al-4V和Ti-6242合金，并具有較高的蠕變抗力，主要用作氣輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如風(fēng)扇盤和壓氣機(jī)盤件[4-8]。隨著鍛件整體化設(shè)計(jì)的發(fā)展，對(duì)TC17鈦合金棒材規(guī)格的要求不斷增大，這就對(duì)材料的組織均勻性和性能一致性提出了更高的要求。

鈦合金加工工藝與其組織、性能關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，并且大規(guī)格棒材由于加工過(guò)程中的尺寸效應(yīng)，對(duì)其性能指標(biāo)要求更加苛刻，因此深入研究不同熱處理工藝對(duì)大規(guī)格棒材性能的影響極其重要。為此，開(kāi)展了大規(guī)格TC17鈦合金棒材熱處理工藝研究，分析材料不同方向的組織均勻性及性能一致性情況，以期為該材料的工程應(yīng)用提供工藝指導(dǎo)。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為兩相區(qū)熱軋加工的φ350mm大規(guī)格TC17鈦合金棒材，名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo，合金Tβ相變點(diǎn)為（890±10）℃。TC17鈦合金棒材的原始組織為典型的等軸組織，主要由初生α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成，等軸α相均勻分布在基體中，并且基體中有少量的短棒狀α相，如圖1所示。

沿TC17鈦合金棒材徑向（R）和軸向（L）切取φ5mm×M10mm的拉伸試樣。采用箱式電阻爐，按照表1所示熱處理工藝對(duì)試樣進(jìn)行熱處理。其中，固溶處理溫度分別選用相變點(diǎn)以下800、820、840、860℃和相變點(diǎn)以上910、930、950℃，冷卻方式選用空冷和水冷，保溫時(shí)間選取2h和4h；時(shí)效制度均為630℃/8h/AC。

采用Instron1195電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。采用OlympusMG3光學(xué)顯微鏡和JSM6460掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察與分析。

2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織分析

2.1.1固溶溫度的影響

圖2為TC17鈦合金棒材經(jīng)兩相區(qū)固溶空冷＋時(shí)效處理后的顯微組織。從圖2可以看出，兩相區(qū)固溶＋時(shí)效處理后顯微組織表現(xiàn)為典型的雙態(tài)組織，在轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w上分布著一定數(shù)量的α相，這些α相大小形狀各異。此外，轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w中分布有次生α相。隨著固溶溫度的升高，TC17鈦合金棒材組織中初生α相尺寸減小，含量降低，并且固溶溫度越高，這種特征越明顯，固溶溫度為860℃時(shí)，組織中的初生α相含量明顯減少（圖2d）。

圖3為TC17鈦合金棒材經(jīng)β相區(qū)910℃固溶水冷及910℃固溶水冷＋時(shí)效處理后的顯微組織。從圖3可以看出，經(jīng)β相區(qū)固溶處理后，TC17鈦合金棒材均為典型的魏氏組織，且時(shí)效前后組織均呈現(xiàn)為粗大的β晶粒，不同的是時(shí)效處理后，固溶過(guò)程析出的馬氏體相和亞穩(wěn)β相（圖3a）發(fā)生分解，生成細(xì)小彌散的顆粒分布于基體內(nèi)部（圖3b）。

2.1.2冷卻方式的影響

在相變點(diǎn)以下熱處理，冷卻方式對(duì)α相的形態(tài)會(huì)產(chǎn)生重要影響。圖4為TC17鈦合金棒材經(jīng)不同溫度固溶水冷＋時(shí)效處理后的顯微組織。從圖4可以看出，固溶水冷后的組織形貌與固溶空冷后相差不大，由初生α相、次生α相以及轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成，均為典型的雙態(tài)組織，并且隨著固溶溫度升高，初生α相含量減少，次生α相含量增多。與空冷組織（圖2）相比，水冷后的次生α相細(xì)而短，晶間β相明顯，主要是由于快速水冷抑制了次生α相的析出長(zhǎng)大及粗化。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1兩相區(qū)熱處理

表2為TC17鈦合金棒材徑向拉伸試樣經(jīng)兩相區(qū)（800、820、840、860℃）固溶＋時(shí)效處理后的力學(xué)性能。從表2可以看出，在固溶空冷和水冷條件下，隨著固溶溫度升高，TC17鈦合金棒材強(qiáng)度升高，塑性降低。結(jié)合顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，固溶溫度為800℃時(shí)，TC17鈦合金棒材顯微組織中的初生α相約占60%，固溶溫度升高到860℃時(shí)，初生α相含量不超過(guò)20%，次生α相明顯增多。初生α相的減少和次生α相的增多，導(dǎo)致材料在變形過(guò)程中晶界難以滑移，次生α相難以協(xié)調(diào)變形，因而材料強(qiáng)度增高及塑性降低。通過(guò)對(duì)比還發(fā)現(xiàn)，水冷條件下TC17鈦合金棒材的塑性較高，具有較好的強(qiáng)塑性匹配，并且800℃/2h/WC＋時(shí)效處理后，棒材顯示出最佳的強(qiáng)塑性匹配。TC17鈦合金屬于一種富β的兩相鈦合金，固溶過(guò)程可保留亞穩(wěn)β相，固溶保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致β晶粒尺寸長(zhǎng)大而影響強(qiáng)度和塑性，保溫時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致α相向β相轉(zhuǎn)變不充分，組織球化和均勻化不好，影響塑性。結(jié)合圖2和圖4發(fā)現(xiàn)，TC17鈦合金棒材經(jīng)固溶空冷＋時(shí)效處理和固溶水冷＋時(shí)效處理后均顯示雙態(tài)組織，但相同條件下水冷狀態(tài)的初生α相較空冷狀態(tài)的初生α相晶粒尺寸稍大，并且空冷狀態(tài)下次生α相的長(zhǎng)度和寬度均比水冷條件下的大，故在力學(xué)性能上顯示出很大的差異。主要原因是固溶水冷后發(fā)生了馬氏體相變，快速冷卻過(guò)程中生成的亞穩(wěn)相在時(shí)效過(guò)程中會(huì)向平衡組織轉(zhuǎn)變，較大的內(nèi)應(yīng)力促使轉(zhuǎn)變更加充分，水冷后時(shí)效析出的次生α相更加短小，晶界由轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成，短小的次生α相比空冷狀態(tài)較長(zhǎng)的次生α相更易于協(xié)調(diào)變形，從而導(dǎo)致合金塑性提高[9-10]。而固溶溫度升高，合金的初生α相明顯減少，變形過(guò)程中晶界滑移系較少，導(dǎo)致合金強(qiáng)度升高。因此，TC17鈦合金棒材經(jīng)800/2h/WQ℃＋630/8h/AC℃熱處理后顯示出較好的強(qiáng)塑性匹配。

2.2.2β相區(qū)熱處理

圖5為TC17鈦合金棒材經(jīng)β相區(qū)910、930、950℃熱處理后的力學(xué)性能，對(duì)應(yīng)試樣編號(hào)為表1中的9#~16#，固溶時(shí)間為2h，時(shí)效制度為630℃保溫8h后空冷。從圖5可以看出，僅固溶處理的TC17鈦合金棒材強(qiáng)度較低，空冷條件下抗拉強(qiáng)度僅為832MPa，水冷條件下強(qiáng)度較空冷條件下略高。主要是由于在相變點(diǎn)以上固溶處理，顯微組織為典型的魏氏組織，這種組織主要由粗大的β晶粒組成，變形過(guò)程由于晶界強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致合金強(qiáng)度較低。

TC17鈦合金棒材經(jīng)時(shí)效處理后強(qiáng)度明顯增加，但其拉伸試驗(yàn)均未測(cè)得延伸率，即相變點(diǎn)以上固溶處理后冷卻方式不論空冷還是水冷，材料均表現(xiàn)為脆性斷裂。從圖5還可以看出，在相變點(diǎn)以上固溶＋時(shí)效處理，空冷條件下當(dāng)固溶溫度由910℃升高至930、950℃時(shí)，TC17鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度明顯降低，而在水冷條件下，強(qiáng)度隨著固溶溫度升高而增加，并且水冷后的抗拉強(qiáng)度高于空冷后，主要是由于水冷條件下析出的針狀馬氏體和亞穩(wěn)β相在時(shí)效處理后較空冷析出相的強(qiáng)化作用明顯。分析以上原因，時(shí)效處理后TC17鈦合金棒材強(qiáng)度升高主要是由于固溶產(chǎn)生的馬氏體及亞穩(wěn)β相在時(shí)效處理后發(fā)生分解，引起時(shí)效強(qiáng)化。

2.3取樣方向?qū)辖鹆W(xué)性能的影響

表3為TC17鈦合金棒材軸向拉伸試樣經(jīng)不同溫度固溶保溫2h水冷＋630℃保溫8h空冷時(shí)效處理后的力學(xué)性能。從表3可以看出，隨著固溶溫度的升高，TC17鈦合金棒材軸向拉伸試樣的強(qiáng)度升高，塑性降低，與徑向拉伸試樣表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。此外，軸向拉伸試樣的強(qiáng)度和塑性均大于徑向拉伸試樣，說(shuō)明TC17鈦合金棒材存在各向異性。800℃保溫2h固溶＋時(shí)效處理后，軸向屈服強(qiáng)度較徑向增加了30MPa，增幅約為2.7%，但延伸率增加了33%。從數(shù)據(jù)對(duì)比中還可以發(fā)現(xiàn)，TC17鈦合金棒材固溶水冷后的屈強(qiáng)比較高，整體保持在0.95以上，說(shuō)明將其用作結(jié)構(gòu)件具有較高的可靠性。

3、結(jié)論

(1)隨著固溶溫度升高，TC17鈦合金中等軸α相含量減少，次生α相含量增多，較快的冷卻速率可抑制晶粒的長(zhǎng)大和粗化。

(2)TC17鈦合金大規(guī)格棒材固溶空冷后的強(qiáng)度高于水冷后，但合金塑性較低。800/2h℃/WQ＋630/8℃h/AC處理可獲得最佳的強(qiáng)塑性的匹配。

(3)TC17鈦合金棒材具有較高的屈強(qiáng)比，將其作為結(jié)構(gòu)件具有較高的可靠性。

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