鄭永靈 張 華 沙愛(ài)學(xué) 王世宏 王慶如

(1.中航工業(yè)貴州安大航空鍛造有限公司，貴州561005；2.中航工業(yè)北京航空材料研究院，北京100095；3.北京航空航天大學(xué)，北京100191)

TC18鈦合金是一種高合金化結(jié)構(gòu)件用鈦合金鋼。其名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。該合金具有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、淬透性好和可焊接等優(yōu)點(diǎn)，在大型承力件上得到廣泛應(yīng)用。

本試驗(yàn)研究的目的在于掌握熱處理制度對(duì)TC18鈦合金準(zhǔn)β鍛鍛件組織性能的影響規(guī)律，以利于TC18鈦合金準(zhǔn)β鍛鍛件的熱處理制度在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，確保鍛件組織性能滿足技術(shù)條件的要求。

TC18屬過(guò)渡型(β穩(wěn)定化系數(shù)為1.2)的α+β鈦合金，為達(dá)到其高強(qiáng)度、高韌性的目的，其主要的熱處理方式是時(shí)效，它是通過(guò)β固溶體的分解而獲得的。高強(qiáng)度取決于兩個(gè)因素，即可時(shí)效的β相的數(shù)量及時(shí)效中析出的強(qiáng)化相的數(shù)量。這兩個(gè)因素又取決于合金化程度及熱處理狀態(tài)。而高韌性雖主要取決于鍛造工藝，但熱處理工藝也對(duì)其有很大的影響。由于TC18合金的成分稍高于臨界濃度，因此，它具有高的淬透性，能防止在熱變形及熱處理后的冷卻中發(fā)生固溶體分解，這就使得合金的組織性能易于控制；另一方面，由于該合金的成分在臨界濃度附近，因而導(dǎo)致合金時(shí)效時(shí)的相變相當(dāng)復(fù)雜。對(duì)于TC18來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的熱處理制度是分級(jí)(復(fù)雜)退火時(shí)效制度。

為掌握TC18鈦合金變形及熱處理共同影響下的顯微組織的形成與變化，有必要研究該合金在經(jīng)β區(qū)開(kāi)始變形而結(jié)束于α+β相區(qū)的組織性能與熱處理制度的關(guān)系。經(jīng)β區(qū)開(kāi)始變形而結(jié)束于α+β相區(qū)的組織性能的特點(diǎn)是具有高韌性。即這種工藝形成了具有高的斷裂韌度KIC及抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力的組織類(lèi)型。

1 試驗(yàn)用料與方法

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用料為經(jīng)準(zhǔn)β鍛造的鍛件。

1.2 試驗(yàn)方法

由于TC18鈦合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理制度為：

820～850℃保溫(1 h～3 h)，爐冷至750℃保溫(1 h～3 h)，空冷+500～650℃保溫(2 h～6 h)，空冷。

因此，我們進(jìn)行了不同固溶溫度及不同時(shí)效溫度試驗(yàn)：

(a)選取820℃及850℃固溶，經(jīng)610℃時(shí)效的熱處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1及圖1。

(b)選取835℃固溶，分別經(jīng)570℃和650℃時(shí)效的熱處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同固溶溫度對(duì)組織性能的影響

從表1的試驗(yàn)結(jié)果與圖1的顯微組織照片可以看出，提高固溶溫度，初生 相增粗，且比例減少，β相比例增加，故相應(yīng)強(qiáng)度略有增加，塑性和斷裂韌度則有所下降。因此固溶溫度不宜太高。

固溶溫度愈高，冷卻固定下來(lái)的亞穩(wěn)定相數(shù)量愈多。時(shí)效強(qiáng)化的細(xì)彌散α相析出增加。故瞬時(shí)強(qiáng)度有所增加。

2.2 時(shí)效溫度對(duì)TC18鈦合金組織及性能的影響

表2為T(mén)C18鈦合金準(zhǔn)β鍛鍛件兩種時(shí)效溫度下的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

時(shí)效的主要目的是控制次生 相形態(tài)和析出量。時(shí)效溫度不同，次生α相的大小和數(shù)量不同，造成強(qiáng)度、塑性和韌性也不同。

TC18鈦合金的時(shí)效硬化速率很快，硬化效應(yīng)很強(qiáng)：570℃時(shí)效的力學(xué)性能與650℃時(shí)效的力學(xué)性能相比，隨著時(shí)效溫度的上升，強(qiáng)度明顯下降。650℃時(shí)效后，強(qiáng)度已特別低，說(shuō)明合金已處于過(guò)時(shí)效狀態(tài)。

TC18鈦合金鍛件通常采用二次固溶加時(shí)效，也稱為分級(jí)退火或復(fù)雜退火，即820～850℃加熱后爐冷至750℃保溫一定時(shí)間后空冷，隨后于500～650℃時(shí)效(2～6)h。固溶處理的目的是通過(guò)再結(jié)晶完全消除鍛壓變形的影響，以獲得均勻的顯微組織，并為時(shí)效處理作組織上的準(zhǔn)備。

從表2可以看出，TC18鈦合金力學(xué)性能受時(shí)效溫度變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)固溶溫度的影響。故可通過(guò)調(diào)整時(shí)效溫度得到所需的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌度匹配。

表1 不同固溶溫度的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 1 The test results of mechanical properties of different solvus temperatures

(a)820℃固溶 (b)850℃固溶圖1 不同固溶溫度下TC18鈦合金顯微組織Figure 1 The microstructure of TC18 titanium alloy under different solvus temperatures

表2 不同時(shí)效溫度的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 2 The test results of mechanical properties of different time effect temperatures

3 結(jié)論

(1)固溶溫度對(duì)TC18鈦合金的顯微組織及室溫力學(xué)性能有一定的影響。提高固溶溫度，雖強(qiáng)度有所升高，但塑性和斷裂韌度則有所下降，因此固溶溫度不宜太高。

(2)TC18鈦合金力學(xué)性能受時(shí)效溫度變化的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)固溶溫度的影響?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整時(shí)效溫度得到所需的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌度匹配。

[1] 李興無(wú)，馬濟(jì)民，等.XX和XX發(fā)動(dòng)機(jī)殘骸材料與熱工藝分析，2001，184-189、194-205.