供稿|董潔, 王永梅, 張永強(qiáng), , 王韋琪, 張平輝, / DONG Jie, WANG Yong-mei, ZHANG Yong-qiang, , WANG Wei-qi, ZHANG Ping-hui,

TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣的一種α+β型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量的50%以上，它含有6%的α穩(wěn)定元素Al及4%的β穩(wěn)定元素V，具有優(yōu)異的綜合性能，在航空航天工業(yè)已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用[1]。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，為了提高結(jié)構(gòu)效益、延長(zhǎng)使用壽命，在新型飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造中采用了許多大型整體鍛件，因而提出了鈦合金大規(guī)格棒材的需求，需要使用直經(jīng)為450 mm的TC4大規(guī)格棒材，且要求棒材的高溫強(qiáng)度≥615 MPa[2]。要使得TC4鈦合金 φ450 mm大規(guī)格棒材整體試樣熱處理后的力學(xué)性能和顯微組織符合GJB 1538標(biāo)準(zhǔn)φ100 mm棒材的要求，分別對(duì)整體試樣厚度為80、40、20 mm進(jìn)行了熱處理工藝研究。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用寶鈦集團(tuán)生產(chǎn)的TC4鈦合金φ450 mm棒材。生產(chǎn)棒材選用的TC4鑄錠，錠型φ940 mm，錠重8000 kg。鑄錠經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉，化學(xué)成分符合GB/T 3620，α+β/β相的轉(zhuǎn)變溫度為990～1010℃。φ450mm棒材鍛造工藝為鑄錠開坯采用鐓-拔工藝，開坯鍛造后經(jīng)過(guò)一次“高低高”鍛造，而后在相變點(diǎn)以下30～50℃采用拔長(zhǎng)變形，變形量大于85%，鍛成φ450 mm棒材，棒材的顯微組織見圖1。從成品棒材上分別切厚度為80、40、20 mm的整體試樣進(jìn)行熱處理工藝研究。

圖1 φ450 mm棒材原始橫向顯微組織

表1 熱處理工藝方案

實(shí)驗(yàn)方法

分別在厚度為80、40、20 mm的整體試樣上按表1的4種熱處理制度進(jìn)行室溫、高溫性能和顯微組織觀察和分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

室溫力學(xué)性能

分別把80、40、20 mm的整體試樣，按表1的熱處理制度進(jìn)行整體處理，在試樣的R/2處取橫向樣，進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 熱處理制度對(duì)棒材室溫力學(xué)性能的影響

由表2的結(jié)果可知：80 mm厚的整體試樣，按熱處理制度1和2處理后，室溫強(qiáng)度不能滿足要求；按熱處理制度3處理后，室溫強(qiáng)度基本滿足要求，但毫無(wú)富余量；按熱處理制度4處理后，室溫強(qiáng)度滿足要求，且一定的富余量，但伸長(zhǎng)率有明顯降低。40 mm厚的整體試樣，按熱處理制度1、2、3處理后，室溫強(qiáng)度和塑性都能滿足要求，且性能相差不大；按熱處理制度4處理后，室溫強(qiáng)度有大幅度的提高，且塑性值無(wú)明顯降低。20 mm厚的整體試樣，按熱處理制度1、2、3處理后，室溫強(qiáng)度和塑性都能滿足要求，且性能相差不大；按熱處理制度4處理后，室溫強(qiáng)度有大幅度的提高，且塑性值無(wú)明顯降低。

綜合看來(lái)，不同厚度的試樣按前3種熱處理制度處理后，室溫強(qiáng)度和塑性無(wú)明顯變化；按熱處理制度4處理后，室溫強(qiáng)度提高60～100 MPa，伸長(zhǎng)率降低3%～5%；隨著整體試樣厚度越來(lái)越薄，按熱處理制度4處理后，強(qiáng)度和塑性變化越顯著。

高溫力學(xué)性能

分別把80、40、20 mm的整體試樣，按表1的熱處理制度進(jìn)行整體處理，在試樣的R/2處取橫向樣，進(jìn)行400℃高溫力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 熱處理制度對(duì)棒材400℃高溫力學(xué)性能的影響

由表3可知，80 mm試樣坯按各種熱處理制度處理后，高溫強(qiáng)度都不能滿足使用要求，且持久性能也沒有完全達(dá)標(biāo)。這是由于試樣坯過(guò)厚，冷卻速度慢，α相有充分的時(shí)間聚集、再結(jié)晶形成等軸α，因此高溫強(qiáng)度不能滿足使用要求。

40 mm試樣坯按1，2兩種熱處理制度處理后，高溫性能不能滿足使用要求。比較3，4兩種熱處理制度，發(fā)現(xiàn)經(jīng)工藝方案4固溶水冷雙重退火后，高溫拉伸和持久性能良好，可穩(wěn)定滿足指標(biāo)的規(guī)定；與工藝方案3固溶后空冷的冷卻方式比較，合金的高溫抗拉強(qiáng)度可提高20～30 MPa，且高溫塑性沒有降低。

20 mm厚整體試樣進(jìn)行雙重?zé)崽幚砗?，?dāng)固溶后采用空冷時(shí)，高溫強(qiáng)度和高溫持久可滿足指標(biāo)，但高溫強(qiáng)度基本無(wú)富余量；當(dāng)固溶后采用水冷時(shí)，棒材高溫拉伸和持久性能良好，均可穩(wěn)定滿足指標(biāo)規(guī)定，且高溫抗拉強(qiáng)度可提高70～100 MPa，且高溫塑性沒有降低。強(qiáng)度大幅度提高的原因是受冷卻速度快的影響，產(chǎn)生彌散的強(qiáng)化相，符合強(qiáng)化機(jī)理[3]。

顯微組織

分別把80、40、20 mm的整體試樣，按表1的熱處理制度進(jìn)行整體處理，在試樣坯的R/2處取橫向高倍試樣，圖2～圖5為4種不同熱處理制度的顯微組織照片。

圖2 不同厚度試樣坯750℃/2h.AC橫向顯微組織

圖3 不同厚度試樣坯950℃/2h.AC橫向顯微組織

圖4 不同厚度試樣坯950℃/2h.AC+750℃/2h.AC橫向顯微組織

由圖可見，80 mm厚試樣坯經(jīng)前3種熱處理制度處理后，棒材橫截面上顯微組織均勻性良好，均為等軸組織，經(jīng)950℃/2h.WC +750℃ /2h.AC雙重退火后，棒材橫截面的組織均勻性良好，均為等軸組織，有少量彌散相。

圖5 不同厚度試樣坯950℃/2h.WC+750℃/2h.AC橫向顯微組織

40 mm厚試樣坯經(jīng)前3種熱處理制度處理后，棒材橫截面上顯微組織均勻性良好，均為等軸組織，經(jīng)950℃/2h.WC +750℃ /2h.AC雙重退火后，棒材整個(gè)橫截面的組織均勻性良好，均為等軸組織，且彌散相較多。

20 mm厚試樣坯經(jīng)前2種熱處理制度處理后，棒材橫截面上顯微組織均勻性良好，均為等軸組織。試樣坯經(jīng)雙重退火后，當(dāng)固溶后采用空冷時(shí)，棒材橫截面的組織均勻性良好，均為等軸組織，受冷卻速度的影響，已有彌散相產(chǎn)生；當(dāng)固溶后采用水冷時(shí)，顯微組織也為等軸組織，由于冷卻速度的大幅增加，彌散相沒有完全分解，迅速被保留至室溫，形成了次生α相較多的顯微組織形貌[4]。

總體來(lái)說(shuō)，按前2種制度熱處理時(shí)，試樣坯厚度對(duì)顯微組織的影響不明顯，都為均勻的等軸組織。當(dāng)采用雙重退火時(shí)，試樣坯厚度與固溶冷卻速度對(duì)顯微組織形貌影響程度明顯增加，試樣坯厚度越薄、固溶冷卻速度越快，彌散相顯著增加，次生α相含量增加，初生α相含量減少。

結(jié)束語(yǔ)

TC4鈦合金 φ450 mm大規(guī)格棒材不同厚度整體試樣坯的不同熱處理方案對(duì)力學(xué)性能和顯微組織的影響研究表明：

（1）再結(jié)晶退火、固溶熱處理和雙重退火對(duì)力學(xué)性能的影響效果與試樣坯厚度以及固溶冷卻速度密切相關(guān)；

（2）整體試樣坯厚度不小于80 mm時(shí)，無(wú)論采用何種方式進(jìn)行熱處理，大規(guī)格棒材的高拉強(qiáng)度均不能滿足615 MPa的指標(biāo)要求；

（3）整體試樣坯厚度不大于40 mm時(shí)，熱處理效果隨固溶冷卻速度變化明顯，加快固溶冷卻速度，將明顯提高合金的強(qiáng)度；

（4）采用雙重退火（固溶后水冷）是TC4鈦合金φ450 mm大規(guī)格棒材室溫力學(xué)性能、高溫拉伸和高溫持久等各項(xiàng)性能穩(wěn)定滿足要求的首選熱處理方案。

[1]張喜燕，趙永慶，白晨光. 欽合金及應(yīng)用. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:21-71.

[2]Ding R, Guo Z X. Micro-structural evolution of a Ti6A14V alloy during phase processing: Experimental and simulation investigate.Material Science and Engineering A, 2003, 365(2): 172-179.

[3]李書常.熱處理使用淬火介質(zhì)精選.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:1-2.[4]張志強(qiáng)，董利民，劉羽寅，等. 大規(guī)格TC4欽合金絲材直徑對(duì)固溶時(shí)效顯微組織和力學(xué)性能的影響. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20（專輯1）：674-677.