TC18鈦合金棒材的組織-服役性能一致性熱處理

TC18是一種高合金化的α＋β型鈦合金，具有高強(qiáng)度、高塑性、高韌性和良好的焊接性能等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-4]。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中使用TC18鈦合金代替高強(qiáng)鋼可減重15％~20％。國外已將其廣泛應(yīng)用于制備大型起落架橫梁、機(jī)身對接框等主承力結(jié)構(gòu)件[5]。我國軍用運(yùn)輸機(jī)、客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)等多個型號機(jī)型的主承力構(gòu)件已經(jīng)實現(xiàn)TC18鈦合金的升級替代，部分機(jī)型的TC18鈦合金構(gòu)件用量高達(dá)3t[6]。隨著我國軍機(jī)型號更新迭代和大型運(yùn)輸機(jī)的快速發(fā)展，對高性能TC18合金的需求日益迫切。

考慮到TC18鈦合金使用場合的特殊性，主機(jī)廠對其構(gòu)件組織的穩(wěn)定性和性能的一致性提出較高要求，而棒材組織穩(wěn)定性很大程度上決定了構(gòu)件性能的一致性。目前關(guān)于TC18棒材組織的研究主要集中在顯微組織中等軸狀α相的均勻性，對于宏觀低倍的晶粒尺寸研究相對匱乏。本文針對TC18鈦合金棒材顯微組織與其服役性能的匹配關(guān)系問題，首先通過單相區(qū)熱處理工藝，獲得不同晶粒尺寸的TC18鈦合金棒材，進(jìn)而探究晶粒尺寸對雙重退火后TC18鈦合金構(gòu)件服役性能的影響，模擬構(gòu)件的使用狀態(tài)。最終確定具有較好服役性能的TC18鈦合金棒材組織變化區(qū)間，以及對應(yīng)的熱處理工藝。

1、試驗材料和熱處理工藝

1.1　試驗材料

本文試驗材料是由某公司提供的TC18鈦合金φ300mm棒材，其化學(xué)成分見表1，原始組織為等軸α＋β轉(zhuǎn)變組織，見圖1。

1.2　熱處理試驗方案

將TC18鈦合金棒材切割成φ300mm×30mm的試樣，按照單相區(qū)熱處理工藝在（Ｔβ－40）℃保溫1ｈ，之后升溫到Ｔβ＋（15，25，35）℃分別保溫0、0.5、1、2、和4ｈ，空冷。之后在TC18鈦合金棒材1／2高度處分別取中心、Ｄ／4和邊緣3個位置的試樣，進(jìn)行雙重退火處理（一級退火：820~850℃保溫1~3ｈ，爐冷至740~760℃保溫1~3ｈ，空冷；二級退火：500~650℃保溫2~6ｈ，空冷）。最后，檢測雙重退火后TC18鈦合金的顯微組織形貌，并對試樣性能進(jìn)行測試。晶粒尺寸統(tǒng)計是將試樣先用硝酸和雙氧水溶液腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織及晶粒大小，然后用截線法獲得熱處理后試樣的晶粒尺寸。α相的形貌通過ＺＥＩＳＳＳｉｇｍａ500掃描電鏡獲得。

2、試驗結(jié)果和討論

2.1　單相區(qū)熱處理工藝對顯微組織的影響

圖2為當(dāng)單相區(qū)溫度為（Ｔβ＋15）℃時，TC18鈦合金棒材中心、Ｄ／4和邊緣處晶粒尺寸隨單相區(qū)保溫時間的變化曲線。由圖2可知，沿棒材徑向方向，距離邊緣75mm以內(nèi)的區(qū)域，晶粒尺寸隨單相區(qū)保溫時間的變化規(guī)律基本一致。表現(xiàn)為晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而增大，當(dāng)保溫時間超過2ｈ后，晶粒尺寸增長逐漸變慢。但是，當(dāng)保溫時間超過2ｈ后，棒材中心附近的晶粒尺寸增大比較明顯。在等溫條件下，晶粒尺寸與保溫時間的關(guān)系可用Ｂｅｃｋ方程描述[7]：

Ｄ－Ｄ0＝ktⁿ（1）

式中：Ｄ和Ｄ0分別為保溫一定時間下的晶粒尺寸和原始晶粒尺寸，μm；ｋ為常數(shù)；ｔ為保溫時間，ｈ；ｎ為晶粒生長指數(shù)。

圖3（ａ~ｄ）為平均晶粒尺寸分別為200、250、300和430μm時，TC18鈦合金棒材的顯微組織。圖4為TC18鈦合金棒材平均晶粒尺寸隨單相區(qū)溫度和保溫時間的變化曲線。從圖4可知，當(dāng)保溫時間為0.5ｈ時，單相區(qū)溫度對TC18鈦合金晶粒尺寸的影響較小。

隨著保溫時間的增加，單相區(qū)溫度對晶粒尺寸的影響逐漸增大。單相區(qū)溫度越高，晶粒尺寸增大速度越明顯。這是因為棒材中的α相含量與晶粒的長大有關(guān)，α相對晶界的移動具有阻礙作用。保溫初始階段，不同單相區(qū)溫度熱處理棒材中的α相含量差異不大，晶粒尺寸基本相同。隨著保溫時間的增加，α相含量逐漸減少，晶粒長大的阻力變小，并且溫度越高，晶粒中α相含量減少越快，晶粒長大的阻礙越小，晶粒長大越快[8-９]。

2.2　雙重退火后的組織及性能

選取單相區(qū)熱處理后200、250、300、350和430μm平均晶粒尺寸試樣，對其進(jìn)行雙重退火處理，得到不同晶粒尺寸試樣退火后的性能，如圖5所示。由圖5可知，TC18鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度隨著平均晶粒尺寸的增加呈先增大再減小的趨勢，在晶粒尺寸為300μm時抗拉強(qiáng)度最高。斷裂韌度、斷后伸長率和斷面收縮率的變化趨勢則相反，先減小再增大，在晶粒尺寸為300μm時最低。即隨著平均晶粒尺寸的增加，抗拉強(qiáng)度、斷裂韌度、斷后伸長率和斷面收縮率為蹺蹺板關(guān)系[5，10]。為了使TC18鈦合金構(gòu)件既有較高的抗拉強(qiáng)度，又具有良好的塑性和韌性，TC18鈦合金棒材的平均晶粒尺寸需控制在300~430μm范圍，其對應(yīng)的單相區(qū)溫度和保溫時間分別為Ｔβ＋（25~35）℃和2~4ｈ。圖6為不同平均晶粒尺寸的TC18鈦合金棒材雙重退火后的α相形貌。可見，初生α相占比隨著平均晶粒尺寸的增大先減少后增加，相反，次生α相占比先增加后減少。因為次生α相為組織中的強(qiáng)化相，因此，TC18鈦合金棒材經(jīng)雙重退火后其抗拉強(qiáng)度隨著平均晶粒尺寸的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

3、結(jié)論

1）TC18鈦合金棒材單相區(qū)熱處理后沿棒材徑向方向，距離邊緣75mm以內(nèi)的區(qū)域，晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而增大，當(dāng)保溫時間超過2ｈ后，棒材中心附近的晶粒尺寸相較邊緣處增大速率急劇增加。

2）TC18鈦合金棒材經(jīng)雙重退火后，其抗拉強(qiáng)度隨著平均晶粒尺寸的增加呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，在晶粒尺寸為300μm時抗拉強(qiáng)度最高，而斷裂韌度、斷后伸長率和斷面收縮率的變化趨勢則相反。

3）為使TC18鈦合金構(gòu)件既有較高的抗拉強(qiáng)度，又具有良好的塑性和韌性，TC18鈦合金棒材的晶粒尺寸需要控制在300~430μm范圍，其對應(yīng)的單相區(qū)溫度和保溫時間分別為Ｔβ＋（25~35）℃和2~4ｈ。

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