邱保安，王曉暉，蔣曉虎

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

TC18鈦合金是一種高合金化的α+β型鈦合金，具有高強(qiáng)度、高韌性和焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前退火狀態(tài)下強(qiáng)度最高的鈦合金[1]，主要用于制造機(jī)身、起落架、翼梁等飛行器大型承力結(jié)構(gòu)件(如伊爾-76等)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重效果顯著[2-3]?；赥C18鈦合金優(yōu)異的材料性能，某型雷達(dá)天線座關(guān)鍵承力構(gòu)件選用了TC18近β鈦合金鍛件，其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)要求不小于1 200 MPa。目前，國內(nèi)外對TC18鈦合金熱處理工藝的研究集中于雙重退火或三重退火工藝[2-5]，抗拉強(qiáng)度水平在1 100 MPa左右，不滿足設(shè)計要求。

固溶及時效處理是實(shí)現(xiàn)ɑ +β型或近β型鈦合金強(qiáng)化的關(guān)鍵工藝，熱處理溫度參數(shù)對合金組織和性能的影響最為顯著[1-2,6]。本文采用不同的固溶及時效熱處理溫度，對TC18近β鍛件試樣進(jìn)行強(qiáng)化處理，通過對處理后所得試樣的顯微組織和性能進(jìn)行對比分析，找出固溶及時效熱處理溫度對合金顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定適用于TC18高強(qiáng)鈦合金強(qiáng)化處理的固溶及時效溫度參數(shù)，確保該承力構(gòu)件的力學(xué)性能滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

1 試驗材料及方法

試驗材料經(jīng)過冶煉和鍛造成形，鑄錠采用3次真空自耗熔煉，其化學(xué)成分見表1，用金相法測得其(α+β)/β相變點(diǎn)為883 ℃；鍛件毛坯尺寸規(guī)格為200 mm × 200 mm × 300 mm，采用近β鍛造工藝鍛造成形，經(jīng)過超聲探傷檢查。

表1試驗材料化學(xué)成分%

在鍛件上采用線切割切片取樣，加工成M10 × 96標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在多功能真空淬火爐中，采用不同的固溶及時效溫度參數(shù)對試樣進(jìn)行強(qiáng)化處理，檢測試樣熱處理后的力學(xué)性能和顯微組織。其中，力學(xué)性能測試采用拉伸試驗機(jī)CMT5105，顯微組織檢測采用徠卡DMI5000M。具體的固溶及時效熱處理工藝及其力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2不同固溶時效強(qiáng)化工藝下的TC18近β鈦合金鍛件力學(xué)性能

2 試驗結(jié)果分析

2.1 固溶及時效處理溫度對顯微組織的影響

TC18鈦合金的金相組織通常分為4部分，β晶粒、晶界α相、初生α相和次生α相[2]，見圖1。其中，晶界α相可呈現(xiàn)連續(xù)和斷續(xù)2種形貌，連續(xù)晶界α相易使合金沿晶界斷裂，從而降低合金的塑性和斷裂性能；等軸α相對應(yīng)較高的合金塑性、疲勞性能，但斷裂韌性較低；次生α相一般為細(xì)小針狀，主要起到析出強(qiáng)化作用，因此次生α相的尺寸和體積分?jǐn)?shù)顯著影響TC18鈦合金的強(qiáng)化效果[2]。

圖1 TC18鈦合金金相示意圖[2]

在固溶過程中，從高溫快速冷卻時，生成長大的初生α相和亞穩(wěn)β相；在時效過程中，大量細(xì)小針狀的次生α相從亞穩(wěn)β相中析出，起到析出強(qiáng)化作用[2-3,5-7]。

試驗材料初始狀態(tài)為經(jīng)β鍛造后的退火態(tài)(R)，金相組織為α+β雙態(tài)組織，見圖2(a)，晶界α相斷續(xù)，初生α相細(xì)小，α相體積分?jǐn)?shù)小于50%。

圖2 TC18鈦合金強(qiáng)化前后金相組織

固溶 + 時效處理后，晶界α相沒有明顯變化，但初生α相的晶粒尺寸長大，次生α相大量析出，α相體積分?jǐn)?shù)顯著增加，遠(yuǎn)大于50%，形成彌散的α+β兩相區(qū)。圖2(b)顯示了TC18鈦合金780 ℃固溶 + 550 ℃時效后的顯微組織，初生α相直徑為5～10 μm，β晶粒直徑為40～50 μm，從β基體內(nèi)析出了細(xì)小的針狀次生α相，彌散分布在β基體上。

在固溶過程中，隨著溫度的升高，亞穩(wěn)β相生成量增加，使得后續(xù)時效過程的次生α相析出量增加，從而提高了合金強(qiáng)度，但塑性降低。固溶溫度過低時，亞穩(wěn)β相生成量少，隨之而來的時效后的次生α相生成量減少，影響材料的強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，固溶過程的溫度變化主要影響初生α相的尺寸和初生α相與亞穩(wěn)β相的體積分?jǐn)?shù)比。

在時效過程中，隨著溫度的升高，次生α相析出量減少，同時尺寸增加(見圖3)，因此強(qiáng)化效果降低，合金強(qiáng)度降低，而塑性提高。研究結(jié)果表明，時效過程的溫度變化主要影響次生α相與初生α相的晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)比。

圖3 TC18鈦合金不同時效溫度下的金相組織(保溫4 h，空冷)

2.2 固溶及時效處理溫度對力學(xué)性能的影響

圖4表明，TC18鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著固溶溫度的升高而增加，強(qiáng)化效果增強(qiáng)，而材料塑性則相反，延伸率隨著固溶溫度的升高而降低。800 ℃固溶后合金強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了峰值1 393 MPa，但延伸率卻最低。

圖4 TC18鈦合金不同溫度固溶處理的力學(xué)性能(550 ℃時效)

圖5表明，隨著時效溫度的升高，TC18鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，強(qiáng)化效果減弱，但塑性卻呈現(xiàn)上升趨勢。500 ℃時效處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值1 293 MPa，但延伸率最低；600 ℃時效處理后，延伸率最佳，但抗拉強(qiáng)度小于1 200 MPa。

圖5 TC18鈦合金不同溫度時效處理的力學(xué)性能(780 ℃固溶)

試驗結(jié)果表明，經(jīng)780 ℃固溶處理 + 550 ℃時效處理后，TC18的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均大于1 200 MPa，延伸率為10.5%～11.5%，不僅滿足該型天線座關(guān)鍵承力構(gòu)件的力學(xué)性能指標(biāo)要求，而且具有一定的塑性。

3 結(jié)束語

通過控制固溶及時效溫度，調(diào)整初生α相與次生α相之間的數(shù)量及尺寸關(guān)系，可以達(dá)到調(diào)整合金性能的目的。

TC18鈦合金經(jīng)780 ℃固溶處理 + 550 ℃時效處理后，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均大于1 200 MPa，滿足該承力構(gòu)件的力學(xué)性能指標(biāo)要求。

傳統(tǒng)的TC18鈦合金雙重退火或者多重退火工藝追求強(qiáng)韌性的最佳匹配，強(qiáng)度水平在1 000～1 100 MPa。本文通過“固溶+時效”強(qiáng)化工藝獲得了較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，使材料的強(qiáng)度水平提升至1 200 MPa以上，同時保留一定的塑性，以滿足輕質(zhì)高強(qiáng)構(gòu)件的工程應(yīng)用需求。

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