退火溫度對(duì)TC25鈦合金板材組織和性能的影響

TC25（Ti-6.5Al-2Mo-2Zr-2Sn-1W-0.2Si）屬于α＋β型馬氏體熱強(qiáng)鈦合金，高熔點(diǎn)W元素和Mo元素的加入使該合金具有很好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，使用溫度高達(dá)550℃，適用于制造500~550℃長(zhǎng)時(shí)使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件[1-4]。

TC25鈦合金半成品主要有鍛件、模鍛件、沖壓件、棒材等，關(guān)于其加工參數(shù)、熱處理參數(shù)等研究也較多[5-16]。張曉園等[5]研究了熱變形參數(shù)對(duì)TC25鈦合金β鍛坯微觀組織和拉伸性能的影響；王林岐等[6-8]研究了熱加工參數(shù)對(duì)TC25鈦合金壓氣機(jī)盤鍛件顯微組織和性能的影響；白曉環(huán)等[9]研究了熱處理工藝對(duì)BT25鈦合金鍛件組織與性能的影響；彭新元等[10]開(kāi)展了鍛造TC25鈦合金環(huán)形件組織和性能的研究；康彥等[11-13]探索了鍛造工藝參數(shù)對(duì)BT25合金棒材組織與性能的影響；彭新元等[14-15]研究了退火制度對(duì)TC25鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響；史小云等[16]研究了試樣坯熱處理和整體熱處理兩種熱處理方式對(duì)TC25鈦合金棒材組織和力學(xué)性能的影響。但是，關(guān)于TC25鈦合金板材半成品的研究較為缺乏，僅王媛等[17]研究了不同熱處理工藝對(duì)TC25鈦合金板材室溫力學(xué)性能和顯微組織的影響，且該研究未涉及到高溫性能的變化規(guī)律。

通過(guò)研究不同退火溫度下TC25鈦合金板材的顯微組織、室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能，分析不同退火溫度下板材組織和性能的變化規(guī)律，以期為TC25鈦合金板材的生產(chǎn)提供指導(dǎo)，助推其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)真空自耗電弧爐3次熔煉的TC25鈦合金鑄錠，其相變點(diǎn)為1000~1010℃，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

TC25鈦合金鑄錠經(jīng)萬(wàn)噸油壓機(jī)在β相區(qū)自由鍛為厚度150mm的板坯后，采用1200mm四輥可逆式熱軋機(jī)在相變點(diǎn)以上（30~60）℃一火次（變形量80%）、相變點(diǎn)以下（30~60）℃兩火次（變形量40%~70%）軋制成厚度6.0mm的板材。

采用SX3-12-10高精度熱處理爐對(duì)熱軋態(tài)TC25鈦合金板材進(jìn)行不同溫度的退火處理，退火溫度分別為760、800、840、880、920、960℃，保溫時(shí)間為60min，冷卻方式為空冷。對(duì)TC25鈦合金板材進(jìn)行顯微組織觀察、室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能測(cè)試。金相試樣用腐蝕劑（5%HF＋12%HNO3＋83%H2O，體積分?jǐn)?shù)）腐蝕后，利用AXIOVERT200MAT金相顯微鏡按照GB/T 5168—2020標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顯微組織觀察。室溫和高溫力學(xué)性能分別按照GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015標(biāo)準(zhǔn)在INSTRON5885電子萬(wàn)能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)和ETM高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。

2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織

圖1為熱軋態(tài)TC25鈦合金板材的顯微組織。從圖1可以看出，TC25鈦合金板材熱軋態(tài)顯微組織為拉長(zhǎng)組織，其中橫向組織中拉長(zhǎng)的初生α相存在縱橫交織現(xiàn)象，縱向組織中拉長(zhǎng)的初生α相呈單一方向。圖2為TC25鈦合金板材經(jīng)不同溫度退火后的橫向與縱向顯微組織。TC25鈦合金板材退火溫度在760℃時(shí)，初生α相球化，但由于溫度較低，仍以長(zhǎng)條狀為主，如圖2a、2b所示。退火溫度升高至800~840℃時(shí)，球狀初生α相直徑增加，長(zhǎng)條狀初生α相短軸增寬，說(shuō)明初生α相進(jìn)一步等軸化，且逐漸長(zhǎng)大，如圖2c~2f所示。當(dāng)退火溫度升高至880℃時(shí)，初生α相開(kāi)始溶解，晶界溶斷，β轉(zhuǎn)變組織中次生α相增多，TC25鈦合金板材顯微組織類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，如圖2g、2h所示。退火溫度進(jìn)一步升高至920℃時(shí)，TC25鈦合金板材β轉(zhuǎn)變基體上的次生α相清晰可見(jiàn)，尺寸也明顯增大，呈現(xiàn)雙態(tài)組織，如圖2i、2j所示。當(dāng)退火溫度升高至960℃時(shí)，雙態(tài)組織中的初生α相含量明顯減少，次生α相含量顯著增多，尺寸進(jìn)一步增大，如圖2k、2l所示?？梢?jiàn)，隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材熱加工形成的等軸組織逐漸向雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變。

圖 1 熱軋態(tài) TC25 鈦合金板材的顯微組織

Fig.1 Microstructures of TC25 titanium alloy plate as hot rolled: (a) transverse; (b) longitudinal

圖 2 經(jīng)不同溫度退火后 TC25 鈦合金板材的顯微組織

Fig.2 Microstructures of TC25 titanium alloy plate after different annealing temperatures: (a) 760 ℃-T; (b) 760 ℃-L; (c) 800 ℃-T;(d) 800 ℃-L; (e) 840 ℃-T; (f) 840 ℃-L; (g) 880 ℃-T; (h) 880 ℃-L; (i) 920 ℃-T; (j) 920 ℃-L; (k) 960 ℃-T; (l) 960 ℃-L

2.2室溫力學(xué)性能

圖3為TC25鈦合金板材經(jīng)不同溫度退火后的室溫拉伸性能。從圖3a可以看出，TC25鈦合金板材橫向抗拉強(qiáng)度略高于縱向，隨著退火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先減小、后變化不大、而后增大的趨勢(shì)。當(dāng)退火溫度由760℃升高至800℃時(shí)，板材室溫抗拉強(qiáng)度明顯減小。這主要是由于隨著退火溫度的升高，加工硬化不斷被消除，板材強(qiáng)度降低。當(dāng)退火溫度升高至840℃時(shí)，板材內(nèi)部由于熱加工產(chǎn)生的應(yīng)力已完全消除，因此退火溫度繼續(xù)升高（880℃）時(shí)強(qiáng)度變化不大。而當(dāng)退火溫度進(jìn)一步升高至920℃時(shí)，次生α相增多，拉伸過(guò)程中位錯(cuò)滑移至次生α相時(shí)易于形成位錯(cuò)塞積，板材抗拉強(qiáng)度顯著升高。溫度進(jìn)一步升高至960℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度變化不大?？梢?jiàn)，抗拉強(qiáng)度的變化與顯微組織的變化關(guān)系密切。從圖3b可以看出，TC25鈦合金板材橫、縱向屈服強(qiáng)度隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且橫向屈服強(qiáng)度略高于縱向。退火溫度為880℃時(shí)，橫、縱向屈服強(qiáng)度最低，分別為1001MPa和995MPa，而后因組織類型變化，屈服強(qiáng)度急劇增大。從圖3c可以看出，TC25鈦合金板材退火溫度在760~920℃時(shí)，其橫、縱向斷后伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在920℃時(shí)達(dá)到最大。退火溫度升高至960℃時(shí)，橫向斷后伸長(zhǎng)率略有減小，縱向斷后伸長(zhǎng)率沒(méi)有變化。

圖 3 經(jīng)不同溫度退火后 TC25 鈦合金板材的室溫力學(xué)性能

Fig.3 Room temperature mechanical properties of TC25 titanium alloy plate after annealing at different temperatures: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，受顯微組織的影響，TC25鈦合金板材在920~960℃退火時(shí)的室溫力學(xué)性能優(yōu)于在800~880℃退火時(shí)的室溫力學(xué)性能。

2.3高溫力學(xué)性能

圖4為TC25鈦合金板材經(jīng)不同溫度退火后的500℃高溫拉伸性能（橫向）。從圖4可以看出，在800~920℃范圍內(nèi)，隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材高溫抗拉強(qiáng)度由815MPa逐漸增加至924MPa；當(dāng)退火溫度達(dá)到960℃時(shí)，高溫抗拉強(qiáng)度變化不大。TC25鈦合金板材高溫屈服強(qiáng)度在800~880℃變化不大，在684~694MPa之間；而當(dāng)退火溫度達(dá)到920℃時(shí)，高溫屈服強(qiáng)度達(dá)到720MPa，960℃時(shí)增大至736MPa?？梢?jiàn)，與等軸組織相比，雙態(tài)組織TC25鈦合金板材的高溫力學(xué)性能更為優(yōu)異。這主要是由于雙態(tài)組織中等軸α相減少、β轉(zhuǎn)變組織增多，β轉(zhuǎn)變組織中交織分布的次生α相對(duì)滑移起到較強(qiáng)的阻礙作用，使得板材抵抗變形的能力增加，從而表現(xiàn)出更好的高溫力學(xué)性能[18]。由此可見(jiàn)，退火溫度的提高有助于TC25鈦合金板材高溫拉伸性能的提升。

圖 4 經(jīng)不同溫度退火后 TC25 鈦合金板材的高溫力學(xué)性能

Fig.4 High temperature mechanical properties of TA15 titanium alloy plate after annealing at different temperatures

3、結(jié)論

(1)隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材熱加工形成的等軸組織中初生α相長(zhǎng)大，在920℃退火時(shí)等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)殡p態(tài)組織，β轉(zhuǎn)變基體上的次生α相清晰可見(jiàn)。

(2)隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材室溫抗拉強(qiáng)度先在760~800℃減小、后在800~880℃變化不大、而后在920~960℃顯著增加；高溫抗拉強(qiáng)度隨著退火溫度的升高逐漸增大，在退火溫度達(dá)到920℃后變化不大。

(3)TC25鈦合金板材在920~960℃退火時(shí)可獲得均勻的雙態(tài)組織，且具有良好的室溫和高溫拉伸性能。

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