張堯武, 曾衛(wèi)東, 史春玲, 康 超, 彭雯雯

(1. 西北工業(yè)大學 材料學院，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學 凝固技術國家重點實驗室，西安 710072；3. 西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，西安 710089)

真空去應力退火對TC18鈦合金殘余應力及組織性能的影響

張堯武1,2, 曾衛(wèi)東1,2, 史春玲3, 康 超1,2, 彭雯雯1,2

(1. 西北工業(yè)大學 材料學院，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學 凝固技術國家重點實驗室，西安 710072；3. 西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，西安 710089)

在不同溫度和時間下對TC18鈦合金進行真空去應力退火處理，研究TC18鈦合金真空去應力退火前后力學性能及殘余應力的變化規(guī)律，觀察去應力退火后的金相組織和拉伸斷口形貌。結果表明：經(jīng)真空去應力退火后，TC18鈦合金的抗拉強度和屈服強度降低，沖擊韌性、斷裂韌性、伸長率和斷面收縮率提高；殘余應力消除效果顯著；隨著退火溫度的升高，合金顯微組織呈現(xiàn)規(guī)律性變化；當溫度達到650 ℃以上時，α相明顯減少，亞穩(wěn)定β相顯著增加，導致其強度下降，與力學性能測試結果相吻合；合金塑性提高，與斷口形貌分析一致；最后，得到TC18鈦合金的真空去應力退火制度為600~650 ℃和1~4 h。

TC18鈦合金；殘余應力；真空去應力退火；顯微組織；力學性能

TC18合金是原蘇聯(lián)于20世紀70年代研制的一種高強、高韌、高合金化的近β型鈦合金，其名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。該合金具有強度高、韌性高、塑性好和可焊接等優(yōu)點，淬透性可達 250 mm，是退火狀態(tài)下強度最高的鈦合金，因而在各種類型飛機機體和起落架的大型承力件上得到了廣泛應用[1]?？捎糜谥圃?50~400 ℃下長期工作的機身、機翼受力件及緊固件，也可用于制造使用溫度不超過350 ℃的發(fā)動機風扇盤和葉片等。

鈦合金工件在經(jīng)過壓力加工、焊接或機械加工后，工件內(nèi)部往往會產(chǎn)生殘余應力，導致其力學性能下降，甚至產(chǎn)生微變形，較大的殘余應力還有可能導致機械加工過程中材料變形甚至開裂的危險，因此，合理消除殘余應力成為國內(nèi)外學者研究的重點[2-3]。去應力退火作為一種高效、便捷的去除殘余應力方法，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用[4]。對于精加工工件，為了防止工件在去應力退火過程中氧化，需要采用真空去應力退火。

目前，有關金屬材料殘余應力測試的研究較多[5-6]，但關于鈦合金的真空去應力退火制度、微觀組織及力學性能的研究很少。為此，本文作者對 TC18鈦合金不同溫度和時間下真空去應力退火后的殘余應力進行測量和分析，結合力學性能測試結果和微觀組織分析結果，得到真空去應力退火對材料組織性能的影響規(guī)律，并制定合理的退火制度。

1 實驗

TC18鈦合金試驗材料為西部超導材料科技有限公司提供的棒材，后經(jīng)兩相區(qū)改鍛處理及準β鍛造制成方坯。

根據(jù)文獻[7]，TC18鈦合金真空去應力退火推薦的加熱溫度和時間范圍分別為600~680 ℃和1~4 h。本文作者采用的真空去應力退火溫度為550、600、650和700 ℃；退火時間為1和4 h。實驗設備為VPS50/10真空爐，真空度≤6.7×10-2Pa。

殘余應力的檢測國內(nèi)外均已開展多年，最常用的測定方法為射線法和鉆孔法[8-9]。射線法理論完善，但因射線對人體有害且此法僅能測定表面應力，其應用受到很大的限制；鉆孔法技術成熟，理論完善，尤其是小直徑盲孔法對工件損傷較小、測量較可靠，已成為現(xiàn)場實測的一種標準試驗方法[10]。

本研究采用盲孔法測量試樣的殘余應力。殘余應力試樣尺寸為50 mm×50 mm×10 mm，如圖1所示，在一個面上刨去 4 mm，產(chǎn)生殘余應力。經(jīng)真空去應力退火，在圖示位置貼BE120-2CA-K型應變花，盲孔孔徑為1.5 mm，深度為3 mm。

室溫拉伸試樣、沖擊韌性試樣和斷裂韌性試樣均采用標準試樣，測出相應試驗數(shù)據(jù)。

圖1 殘余應力試樣示意圖Fig.1 Sketch of sample for residual stress (mm)

圖2 經(jīng)真空去應力退火后TC18鈦合金在x和y方向的殘余應力Fig.2 Residual stress of TC18 titanium alloy after stress relieving annealing in x(a) and y(b) directions

2 結果與討論

2.1 真空去應力退火對殘余應力的影響

經(jīng)過機加工，試塊內(nèi)部初始的殘余應力略大于100 MPa，圖2所示為真空去應力退火對TC18鈦合金殘余應力的影響。從圖2可以看出，經(jīng)過真空退火處理后，試樣的殘余應力大幅度下降。在相同的退火時間下，隨著退火溫度的升高，殘余應力下降，超過650℃以后，殘余應力基本消除；在同一溫度下，隨著加熱時間的延長，殘余應力也有所降低，與文獻[3]的分析結果一致，材料內(nèi)部發(fā)生回復，殘余應力降低。當退火時間足夠長時，殘余應力趨于穩(wěn)定，即使時間繼續(xù)延長，殘余應力不會有明顯的變化。從力學角度分析，這是由于當材料內(nèi)部吸收熱能達到大部分殘余應力的松弛激活能時，殘余應力快速釋放，并隨保溫時間的增加而逐步放緩[11]。同時，TC18鈦合金是含有較多β穩(wěn)定元素的α+β鈦合金，應盡量避免過高的加熱溫度而形成亞穩(wěn)β相[12]，使工件在使用過程中析出硬脆的ω相，導致其性能惡化。

圖3 真空去應力退火對TC18鈦合金力學性能的影響Fig.3 Effect of stress relieving annealing on mechanical properties of TC18 titanium: (a) Ultimate ensile strength; (b) Yield strength;(c) Elongation; (d) Area reduction; (e) Charpy toughness; (f) Fracture toughness

2.2 真空去應力退火對合金力學性能的影響

圖3所示為TC18鈦合金經(jīng)真空去應力退火后的力學性能。從圖3可以看出，真空去應力退火溫度和時間都對TC18鈦合金的力學性能有顯著的影響。隨著退火溫度提高，由于材料內(nèi)部位錯密度下降，合金的抗拉強度和屈服強度降低。當退火溫度超過650 ℃后，強度不能滿足技術條件要求；經(jīng)700 ℃退火4 h后，抗拉強度下降到950 MPa左右。伸長率、斷面收縮率、沖擊韌性和斷裂韌性均滿足技術條件要求，且隨著退火溫度提高，伸長率、斷面收縮率、沖擊韌性和斷裂韌性都呈增大趨勢，伸長率和斷面收縮率增長幅度不大，沖擊韌性和斷裂韌性隨退火溫度的提高，增長幅度較大，550 ℃退火時斷裂韌性最低，其值為63.2 MPa·m1/2，700 ℃退火時斷裂韌性最低，其值為118.3 MPa·m1/2。由此看出，退火溫度提高150 ℃，材料的斷裂韌性增加近1倍，說明溫度對材料斷裂韌性的影響較大。

圖4 TC18鈦合金經(jīng)真空去應力退火后的顯微組織Fig.4 Microstructures of TC18 titanium alloy after stress relieving annealing: (a) Initial state; (b) 550 ℃, 1 h; (c) 600 ℃, 1 h;(d) 600 ℃, 4 h; (e) 650 ℃, 1 h; (f) 700 ℃, 1 h

2.3 真空去應力退火對合金顯微組織的影響

2.3.1 金相組織分析

圖4所示為TC18鈦合金經(jīng)真空去應力退火后的顯微組織。由于在相變點以上15 ℃進行準β鍛造，在初始狀態(tài)的顯微組織中可見比較連續(xù)、完整的晶界α，準β鍛造在β單相區(qū)加熱時間較短，因而β晶粒仍較細小。TC18鈦合金采用準β鍛造目的就是為了得到較細的網(wǎng)籃組織，因為細小的網(wǎng)籃組織不僅具有較好的塑性、沖擊韌性和斷裂韌性以及較高周疲勞強度，還具有較好的熱強性[13]。從圖4(a)中可觀察到TC18鈦合金顯微組織中存在少量等軸α相，可能是由于準β鍛造在β區(qū)的加熱速度較快，保溫時間較短，初生α相溶解不完全而殘留下來；也可能是由于準β鍛造溫度僅在相變點以上15 ℃，鍛造過程在β區(qū)停留時間較短，如果合金在兩相區(qū)承受大量的變形，鍛造變形過程儲存的能量促使α相發(fā)生球化，從而得到等軸組織。 從圖4(c)和(d)的對比可以看出，TC18鈦合金的去應力退火在1~4 h內(nèi)顯微組織變化不大。

片狀α相在一定范圍內(nèi)的縮短增厚趨勢及等軸α相質(zhì)點間距的減小都會使裂紋擴展停頓和改變運動方向的幾率增加，從而提高合金的斷裂韌性。此外，組織中少量等軸α相的存在對于拉伸變形時合金內(nèi)部的空洞長大起到阻礙作用，等軸α相越多，空洞長大的阻礙越大，從而能在一定程度上提高合金的塑性。因此，可以在不降低合金強度和斷裂韌性的同時，保持較高的塑性[14]。合金中片狀α相的縱橫比越大，對位錯運動的阻礙作用越大，在一定程度上提高了合金的強度。另外，當合金中初生α相的體積分數(shù)降低、彌散分布的次生α相所占比例下降時，次生片狀α相逐漸粗化、變短，合金的強度降低，韌性提高[15]。

經(jīng)真空去應力退火后，一方面合金內(nèi)部的殘余應力得到一定程度的消除，使合金內(nèi)部的畸變能得到釋放，從而使合金的強度降低；另一方面，根據(jù)前面的分析，顯微組織中片狀α相的球化趨勢、彌散α質(zhì)點的粗化聚集，都削弱了合金的彌散強化作用，溫度越高，趨勢越明顯，導致合金強度隨退火溫度的升高而降低，塑性提高。退火溫度越高，強度降低和塑性提高越明顯。這些都與力學性能測試的數(shù)據(jù)及變化規(guī)律一致。

圖5 TC18鈦合金真空去應力退火后拉伸斷口的SEM像Fig.5 SEM images of tensile fracture surface of TC18 titanium alloy after stress relieving annealing: (a) 650 ℃, 4 h; (b) 550 ℃,4 h, edge; (c) 550 ℃, 4 h, center; (d) 600 ℃, 4 h, center; (e) 650 ℃, 4 h, center; (f) 700 ℃, 4 h, center

從圖4中還可以看出，隨著真空去應力退火溫度的升高，等軸α相有溶解變小的趨勢，在α相減少的同時，亞穩(wěn)定β相增加[16]，經(jīng)700 ℃退火后，這種變化特別明顯。亞穩(wěn)定β相在隨后的使用過程中可能發(fā)生分解，從而影響產(chǎn)品性能。因此，退火溫度不宜過高。

2.3.2 斷口形貌分析

圖5所示為退火試樣的室溫拉伸斷口形貌。由圖5可以看出，拉伸試樣有明顯的頸縮，微觀斷口均為韌性斷裂，裂紋源在斷口中部，中心區(qū)基本上為等軸韌窩，且無明顯的成核質(zhì)點，剪切唇區(qū)由網(wǎng)狀韌窩組成，為塑性撕裂型斷口，且韌窩深度較淺。隨著退火溫度的升高，韌窩加深、擴大且分布均勻。因此，從斷口形貌可以判斷，隨著退火溫度的升高，合金具有更好的塑性，這與合金的金相組織分析和力學性能測試結果一致。

3 結論

1) TC18鈦合金經(jīng)550~700 ℃真空去應力退火后，其抗拉強度和屈服強度降低，沖擊韌性、斷裂韌性、伸長率及斷面收縮率提高。其中，退火溫度超過650 ℃以后，強度已不能滿足技術條件要求。

2) 真空去應力退火對TC18鈦合金內(nèi)部殘余應力的消除效果明顯，隨著退火溫度的升高和退火時間的延長，內(nèi)部殘余應力呈明顯下降趨勢。650 ℃時，殘余應力已基本消除。

3) 隨著退火溫度的升高，合金金相組織呈規(guī)律性變化。α相含量減少、片狀α相有短粗化趨勢，亞穩(wěn)定β相增加，導致強度下降，塑性提高，與斷口形貌及力學性能分析結果一致。

4) 結合TC18鈦合金殘余應力測試及組織和性能分析，得到真空去應力退火制度為600~650 ℃、1~4 h。

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Influence of vacuum stress relieving annealing on residual stress and microstructure properties of TC18 titanium alloy

ZHANG Yao-wu1,2, ZENG Wei-dong1,2, SHI Chun-ling3, KANG Chao1,2, PENG Wen-wen1,2
(1. School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;2. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;3. Xi’an Aircraft Industry (Group) Co. Ltd, Xi’an 710089, China)

The different temperature and time parameters were adopted in the vacuum stress relieving annealing processes of TC18 titanium alloy. The evolution of mechanical properties and residual stress was researched, the microstructures and SEM images of fracture surfaces were also observed. The results show that, after the vacuum stress relieving annealing, the tensile and yield strengths of TC18 titanium alloy decrease, while the charpy toughness, fracture toughness, elongation and area reduction increase. The removing effect of residual stress is remarkable. Along with the increases of the temperature of stress relieving annealing, the microstructure of the alloy changes regularly. When the temperature exceeds 650 , ℃α-phase decreases obviously, and the metasTableβ-phase increases dramatically. Thus, the strength of the alloy decreases, which coincides with the result of mechanical properties. Meanwhile, the plasticity increases, which coincides with the fracture appearance. Finally, the vacuum stress relieving annealing schedule is obtained to be 600-650 ℃ and 1-4 h.

TC18 titanium alloy; residual stress; vacuum stress relieving annealing; microstructure; mechanical properties

TG146.2

A

1004-0609(2011)11-2780-06

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2007CB613807)；國家新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-07-0696)

2010-10-12；

2011-02-14

曾衛(wèi)東，教授，博士；電話：029-88494298；E-mail: zengwd@nwpu.edu.cn

(編輯 陳衛(wèi)萍)