熱處理工藝對大規格TC17鈦合金棒材組織與力學性能的影響

近年來，隨著航空工業的不斷發展，航空發動機對材料規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、高韌和高淬透性，是航空發動機壓氣機的重要候選材料之一[2-3]。在中溫下，TC17鈦合金的強度超過Ti-6Al-4V和Ti-6242合金，并具有較高的蠕變抗力，主要用作氣輪發動機零件，如風扇盤和壓氣機盤件[4-8]。隨著鍛件整體化設計的發展，對TC17鈦合金棒材規格的要求不斷增大，這就對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、性能關系錯綜復雜，并且大規格棒材由于加工過程中的尺寸效應，對其性能指標要求更加苛刻，因此深入研究不同熱處理工藝對大規格棒材性能的影響極其重要。為此，開展了大規格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用提供工藝指導。

1、實驗

實驗材料為兩相區熱軋加工的φ350mm大規格TC17鈦合金棒材，名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo，合金Tβ相變點為（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相和轉變β相組成，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所示熱處理工藝對試樣進行熱處理。其中，固溶處理溫度分別選用相變點以下800、820、840、860℃和相變點以上910、930、950℃，冷卻方式選用空冷和水冷，保溫時間選取2h和4h；時效制度均為630℃/8h/AC。

采用Instron1195電子萬能試驗機進行拉伸性能測試。采用OlympusMG3光學顯微鏡和JSM6460掃描電子顯微鏡進行顯微組織觀察與分析。

2、結果與分析

2.1顯微組織分析

2.1.1固溶溫度的影響

圖2為TC17鈦合金棒材經兩相區固溶空冷＋時效處理后的顯微組織。從圖2可以看出，兩相區固溶＋時效處理后顯微組織表現為典型的雙態組織，在轉變β基體上分布著一定數量的α相，這些α相大小形狀各異。此外，轉變β基體中分布有次生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，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β相區910℃固溶水冷及910℃固溶水冷＋時效處理后的顯微組織。從圖3可以看出，經β相區固溶處理后，TC17鈦合金棒材均為典型的魏氏組織，且時效前后組織均呈現為粗大的β晶粒，不同的是時效處理后，固溶過程析出的馬氏體相和亞穩β相（圖3a）發生分解，生成細小彌散的顆粒分布于基體內部（圖3b）。

2.1.2冷卻方式的影響

在相變點以下熱處理，冷卻方式對α相的形態會產生重要影響。圖4為TC17鈦合金棒材經不同溫度固溶水冷＋時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相以及轉變β相組成，均為典型的雙態組織，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相的析出長大及粗化。

2.2力學性能分析

2.2.1兩相區熱處理

表2為TC17鈦合金棒材徑向拉伸試樣經兩相區（800、820、840、860℃）固溶＋時效處理后的力學性能。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鈦合金棒材強度升高，塑性降低。結合顯微組織分析發現，固溶溫度為800℃時，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，初生α相含量不超過20%，次生α相明顯增多。初生α相的減少和次生α相的增多，導致材料在變形過程中晶界難以滑移，次生α相難以協調變形，因而材料強度增高及塑性降低。通過對比還發現，水冷條件下TC17鈦合金棒材的塑性較高，具有較好的強塑性匹配，并且800℃/2h/WC＋時效處理后，棒材顯示出最佳的強塑性匹配。TC17鈦合金屬于一種富β的兩相鈦合金，固溶過程可保留亞穩β相，固溶保溫時間過長會導致β晶粒尺寸長大而影響強度和塑性，保溫時間太短會導致α相向β相轉變不充分，組織球化和均勻化不好，影響塑性。結合圖2和圖4發現，TC17鈦合金棒材經固溶空冷＋時效處理和固溶水冷＋時效處理后均顯示雙態組織，但相同條件下水冷狀態的初生α相較空冷狀態的初生α相晶粒尺寸稍大，并且空冷狀態下次生α相的長度和寬度均比水冷條件下的大，故在力學性能上顯示出很大的差異。主要原因是固溶水冷后發生了馬氏體相變，快速冷卻過程中生成的亞穩相在時效過程中會向平衡組織轉變，較大的內應力促使轉變更加充分，水冷后時效析出的次生α相更加短小，晶界由轉變β相組成，短小的次生α相比空冷狀態較長的次生α相更易于協調變形，從而導致合金塑性提高[9-10]。而固溶溫度升高，合金的初生α相明顯減少，變形過程中晶界滑移系較少，導致合金強度升高。因此，TC17鈦合金棒材經800/2h/WQ℃＋630/8h/AC℃熱處理后顯示出較好的強塑性匹配。

2.2.2β相區熱處理

圖5為TC17鈦合金棒材經β相區910、930、950℃熱處理后的力學性能，對應試樣編號為表1中的9#~16#，固溶時間為2h，時效制度為630℃保溫8h后空冷。從圖5可以看出，僅固溶處理的TC17鈦合金棒材強度較低，空冷條件下抗拉強度僅為832MPa，水冷條件下強度較空冷條件下略高。主要是由于在相變點以上固溶處理，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，變形過程由于晶界強度較弱，導致合金強度較低。

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

2.3取樣方向對合金力學性能的影響

表3為TC17鈦合金棒材軸向拉伸試樣經不同溫度固溶保溫2h水冷＋630℃保溫8h空冷時效處理后的力學性能。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度升高，塑性降低，與徑向拉伸試樣表現出相同的變化趨勢。此外，軸向拉伸試樣的強度和塑性均大于徑向拉伸試樣，說明TC17鈦合金棒材存在各向異性。800℃保溫2h固溶＋時效處理后，軸向屈服強度較徑向增加了30MPa，增幅約為2.7%，但延伸率增加了33%。從數據對比中還可以發現，TC17鈦合金棒材固溶水冷后的屈強比較高，整體保持在0.95以上，說明將其用作結構件具有較高的可靠性。

3、結論

(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大和粗化。

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

(3)TC17鈦合金棒材具有較高的屈強比，將其作為結構件具有較高的可靠性。

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