王文杰

(海軍裝備部，陜西　西安　710021)

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準(zhǔn)β熱處理工藝對(duì)TC4-DT鈦合金組織和性能的影響

王文杰

(海軍裝備部，陜西西安710021)

通過(guò)改變單相區(qū)保溫時(shí)間，研究了5種準(zhǔn)β熱處理工藝對(duì)TC4-DT鈦合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：保溫40 min及以下時(shí)，為網(wǎng)籃組織，而保溫50 min及以上時(shí)，組織呈現(xiàn)魏氏組織特征，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒尺寸增大，片狀α相更細(xì)更長(zhǎng)；合金強(qiáng)度和斷裂韌性隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈遞增趨勢(shì)，而塑性逐漸變差。TC4-DT鈦合金在單相區(qū)保溫50 min時(shí)，具有較好的強(qiáng)度、塑性以及斷裂韌性匹配，強(qiáng)度可達(dá)865 MPa, 斷面收縮率可達(dá)31%，而斷裂韌性能夠達(dá)到99 MPa·m1/2。

TC4-DT鈦合金；準(zhǔn)β熱處理工藝；顯微組織；力學(xué)性能

respectively.

0　引　言

鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、可焊性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)[1-3]。自20世紀(jì)40年代開(kāi)始，由于客機(jī)頻繁失事，航空器結(jié)構(gòu)件由單純靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)向安全-壽命設(shè)計(jì)概念、破損-安全設(shè)計(jì)概念, 直至現(xiàn)代的損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[4-5]。設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變引起了材料研究方向的改變，這就要求材料不僅要有較高的強(qiáng)度，還要具備良好的塑性、斷裂韌性等。為了實(shí)現(xiàn)以上性能的良好匹配，損傷容限型鈦合金已成為鈦合金研究領(lǐng)域的重點(diǎn)之一[4]。

Ti-6Al-4V ELI合金作為一種中強(qiáng)損傷容限型鈦合金，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[6]。它是在Ti-6Al-4V合金基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的中強(qiáng)損傷容限、低間隙鈦合金，具有較好的塑性、韌性和強(qiáng)度匹配。目前，美國(guó)第4代戰(zhàn)機(jī)F-22、F/A-18E/F中Ti-6Al-4V ELI合金的使用已經(jīng)進(jìn)入成熟階段[7-8]。

鑒于Ti-6Al-4V ELI合金優(yōu)異的綜合性能，我國(guó)研發(fā)了同類型的TC4-DT鈦合金，并廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)該合金進(jìn)行了一系列研究[9-12]。朱知壽等人[9]通過(guò)研究TC4-DT損傷容限鈦合金的微觀組織結(jié)構(gòu)特征與裂紋擴(kuò)展抗力特性之間的關(guān)系，為新型損傷容限鈦合金的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)。劉金豪等人[10]研究了TC4-DT鈦合金在不同溫度及應(yīng)變速率條件下的熱變形行為，并根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析了該合金的流變應(yīng)力變化特點(diǎn)，建立了該合金的加工圖，為優(yōu)化合金的鍛造工藝提供參考。童路等人[11]研究了影響TC4-DT鈦合金自由鍛件組織與性能的因素。郭萍等人[12]研究了損傷容限型TC4-DT鈦合金的性能。可見(jiàn)，目前的研究工作主要集中在TC4-DT鈦合金的損傷容限特性、熱變形特性以及鍛造和熱處理工藝對(duì)組織性能的影響。2004年，朱知壽等人[13]發(fā)明了一種獲得高塑性片狀組織的鈦合金準(zhǔn)β熱處理工藝，即經(jīng)過(guò)在兩相區(qū)鍛造的鍛件在β相變點(diǎn)(Tβ) 以下20～40 ℃(即Tβ-(20～40) ℃)預(yù)熱,然后隨爐升溫至(Tβ-10 ℃)～(Tβ+40 ℃)，經(jīng)短時(shí)加熱后迅速水冷或空冷。該工藝的技術(shù)關(guān)鍵是在β區(qū)短時(shí)加熱，目的是不讓?duì)戮ЯＱ杆匍L(zhǎng)大，從而解決片狀組織在保持較高的損傷容限性能的條件下不降低塑性的難題。然而，此后關(guān)于準(zhǔn)β熱處理工藝對(duì)TC4-DT鈦合金組織性能影響方面的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

本研究對(duì)比分析了不同準(zhǔn)β熱處理工藝對(duì)TC4-DT鈦合金組織和性能的影響，以期找到使合金獲得較好強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性匹配的準(zhǔn)β熱處理工藝。

1　實(shí)　驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原材料為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司提供的φ300 mm TC4-DT鈦合金棒材，采用金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為974 ℃。

將TC4-DT鈦合金棒材切為5段相同的長(zhǎng)度，分別標(biāo)記為A、B、C、D、E。5段棒材在Tβ-30 ℃保溫240 min后，在1 600 t水壓機(jī)上鐓粗為厚度100 mm的圓餅。為了研究Tβ+15 ℃下加熱時(shí)間對(duì)組織和性能的影響規(guī)律，進(jìn)行了5種不同保溫時(shí)間的準(zhǔn)β熱處理。具體熱處理工藝：將圓餅置于熱處理爐內(nèi)，升溫至Tβ-30 ℃保溫120 min，然后在35 min內(nèi)隨爐升溫至Tβ+15 ℃，分別保溫30、40、50、60、70 min，空冷。不同保溫時(shí)間的準(zhǔn)β熱處理分別編號(hào)為A、B、C、D、E工藝。

準(zhǔn)β熱處理完成后，在每種工藝處理的TC4-DT鈦合金圓餅上切取1個(gè)低倍試樣、1個(gè)金相試樣、2個(gè)拉伸試樣以及2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸(CT)斷裂韌性試樣(尺寸約為65 mm×65 mm×25 mm)。低倍試樣及金相試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、拋光后，使用常規(guī)腐蝕劑(HF、HNO3、H2O的體積比為1∶3∶5)進(jìn)行腐蝕。采用OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡觀察金相試樣顯微組織。采用INSTRON-1185萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試。平面應(yīng)變斷裂韌性測(cè)試則嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)GB/T 4161—2007進(jìn)行。為了保證斷裂韌性測(cè)試的準(zhǔn)確性，加載過(guò)程中裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子增大速率控制在0.55～2.75 MPa·m1/2/s之間。

2　結(jié)果與分析

2.1低倍組織

圖1為TC4-DT鈦合金圓餅經(jīng)不同保溫時(shí)間的準(zhǔn)β熱處理工藝處理后的低倍組織。

從圖中可以看出，圓餅的低倍組織呈現(xiàn)出相似的特征，即圓餅中心區(qū)域出現(xiàn)了小部分大晶粒區(qū)域，由中心向表面逐漸變細(xì)，且沒(méi)有明顯的邊界。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，大晶粒區(qū)域的面積逐漸增大。A試樣大晶粒區(qū)域面積約占棒材橫截面的1/9，B試樣約占1/5，C試樣約占1/4，D試樣約占1/3，而E試樣粗晶部分面積約占棒材橫截面的1/2，但是中心大晶粒尺寸隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)有減小的趨勢(shì)。TC4-DT鈦合金圓餅準(zhǔn)β熱處理后中心產(chǎn)生的大晶?？赡芘c人眼的視覺(jué)觀察有關(guān)。當(dāng)晶粒實(shí)際尺寸達(dá)到人眼的分辨能力(100～150 μm)時(shí)，這些組織要素在低倍組織中是可以看見(jiàn)的，因而低倍組織看起來(lái)可能比較粗；反之，當(dāng)晶粒實(shí)際尺寸小于人眼的分辨能力時(shí)，這些組織要素在低倍組織中是不可見(jiàn)的，因而低倍組織看起來(lái)可能比較模糊。當(dāng)相鄰幾個(gè)β晶粒間的晶體學(xué)位向差別較小時(shí)(<10°～15°)，這時(shí)兩個(gè)或幾個(gè)晶粒在低倍組織中被誤認(rèn)為是一個(gè)粗大的晶粒，從而呈現(xiàn)出粗晶的形貌[14]。TC4-DT鈦合金在準(zhǔn)β熱處理過(guò)程中如果保溫時(shí)間較短，中心由亞晶合并長(zhǎng)大的β晶粒之間位向差較小，容易將多個(gè)晶粒誤認(rèn)為一個(gè)粗大的晶粒，因而中心的組織看起來(lái)較粗，但不清晰。隨著加熱時(shí)間加長(zhǎng)，β晶粒長(zhǎng)大，各β晶粒之間的位向差增大，肉眼可以看見(jiàn)每一個(gè)β晶粒，因而感覺(jué)β晶粒減小了，粗晶的區(qū)域因β晶粒長(zhǎng)大而擴(kuò)大，在低倍上晶粒也清晰可見(jiàn)。

圖1　　　　TC4-DT鈦合金在5種不同保溫時(shí)間下準(zhǔn)β熱處理后的低倍組織Fig.1　　　　Macrostructures of TC4-DT titanium alloy by five different soaking time

2.2顯微組織

圖2為不同保溫時(shí)間下TC4-DT鈦合金準(zhǔn)β熱處理后的顯微組織。整體來(lái)看，A工藝(圖2a)和B工藝(圖2b)條件下組織呈現(xiàn)典型的網(wǎng)籃組織特征，晶界α相斷裂破碎，晶內(nèi)片狀α相較為短小，長(zhǎng)度在40 μm以內(nèi)，雜亂編織，呈現(xiàn)網(wǎng)籃狀。從圖2a可以看出，A工藝條件下由于加熱時(shí)間較短，β晶粒較小，尺寸在40 μm以下。保溫時(shí)間延長(zhǎng)至40 min，β晶粒明顯變粗，冷卻過(guò)程中析出的晶內(nèi)片狀α相輕微變細(xì)、變長(zhǎng)。相較于A和B，C、D、E工藝條件

圖2　　　　TC4-DT鈦合金在不同保溫時(shí)間下準(zhǔn)β處理后的顯微組織Fig.2　　　　Microstructures of TC4-DT titanium alloy by five different soaking time

下組織更多地呈現(xiàn)魏氏組織的特征，晶界α相明顯且較為平直，晶內(nèi)片狀α相排列取向趨于一致，形成集束。圖2c所示為保溫時(shí)間50 min條件下的組織，可以發(fā)現(xiàn)，相較于A和B工藝，C工藝下組織晶界α相更加明顯，晶粒尺寸可達(dá)到200 μm左右。組織內(nèi)部片狀α相較長(zhǎng)較粗，長(zhǎng)度可達(dá)100 μm，厚度可達(dá)3～4 μm。圖2d所示為保溫時(shí)間60 min條件下的組織，可以發(fā)現(xiàn)，相較于C工藝，D工藝下組織晶粒更大，可達(dá)300 μm左右。組織內(nèi)部片狀α相更長(zhǎng)更細(xì)，長(zhǎng)度可達(dá)150 μm以上，厚度在2 μm左右。這是由于隨著保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，組織中α穩(wěn)定元素逐漸向晶界集中[16]，因此在隨后的冷卻過(guò)程中，片狀α相更傾向于從晶界處形核并向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，缺少了晶粒內(nèi)部形核α相的制約，片狀α相有機(jī)會(huì)長(zhǎng)得更長(zhǎng)。圖2e所示為保溫時(shí)間70 min條件下的組織，可以發(fā)現(xiàn)，同其他4種工藝相比，E工藝下組織中晶粒最大，可達(dá)500 μm以上，組織內(nèi)部片狀α相最長(zhǎng)最細(xì)，長(zhǎng)度可達(dá)300 μm以上，厚度僅為1 μm左右。這是由于最長(zhǎng)的保溫時(shí)間導(dǎo)致組織中更多的α穩(wěn)定元素向晶界集中[16]，在隨后的冷卻過(guò)程中，片狀α相從晶界處形核并向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)。由于E工藝條件下組織具有最大的晶粒尺寸，因此片狀α相更無(wú)約束地向晶粒內(nèi)部伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致圖2e所示組織中極細(xì)極長(zhǎng)片狀α相的存在。

總之，TC4-DT鈦合金在單相區(qū)保溫40 min及以下時(shí)，組織為網(wǎng)籃組織，在單相區(qū)保溫50 min及以上時(shí)，組織形態(tài)呈現(xiàn)魏氏組織特征，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，組織中晶粒尺寸逐漸增大，晶粒內(nèi)部片狀α相變得更長(zhǎng)更細(xì)，這一切都是由α穩(wěn)定元素的擴(kuò)散導(dǎo)致的。

2.3力學(xué)性能

表1所示為經(jīng)不同準(zhǔn)β熱處理工藝處理后TC4-DT鈦合金的力學(xué)性能。從表中可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金強(qiáng)度呈明顯遞增趨勢(shì)，保溫時(shí)間為70 min條件時(shí)合金抗拉強(qiáng)度要比保溫時(shí)間為30 min時(shí)高60 MPa。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金塑性逐漸變差。當(dāng)保溫時(shí)間為50 min及以內(nèi)時(shí)，合金塑性變化不大，延伸率大約為12%，斷面收縮率在30%以上。當(dāng)保溫時(shí)間為60 min及以上時(shí)，合金塑性明顯降低，斷面收縮率能降到20%以內(nèi)。上述現(xiàn)象與合金的顯微組織變化密切相關(guān)。保溫50 min及以內(nèi)時(shí)，合金具有較短且粗的片狀α相，較小的α相長(zhǎng)寬比使得合金阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力變差，因此合金呈現(xiàn)較低的強(qiáng)度和較高的塑性。而當(dāng)保溫時(shí)間在60 min及以上時(shí)，合金組織表現(xiàn)為大晶粒以及細(xì)且長(zhǎng)的片狀α相，較大的α相長(zhǎng)寬比增加了合金α/β相界的面積，提高了界面強(qiáng)化效應(yīng)[17]，因此合金的強(qiáng)度較高，塑性較低。

表15種準(zhǔn)β熱處理工藝下TC4-DT鈦合金的力學(xué)性能

Table 1　　　　Mechanical properties of TC4-DT titanium alloy by five different soaking time

對(duì)比經(jīng)5種準(zhǔn)β熱處理工藝處理后TC4-DT鈦合金的斷裂韌性可以發(fā)現(xiàn)，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，斷裂韌性呈上升趨勢(shì)，但總體差別不大，均在95 MPa·m1/2以上，說(shuō)明該合金具有優(yōu)異的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。這是由于對(duì)片狀組織而言，裂紋擴(kuò)展時(shí)主要沿著消耗擴(kuò)展功最少的路徑進(jìn)行，裂紋極易在晶界、集束邊界發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以及在α/β相界面發(fā)生停止和偏移，使裂紋長(zhǎng)度增加，因此5種準(zhǔn)β熱處理工藝下獲得的組織均具有很高的斷裂韌性。但由于E工藝條件下α片層長(zhǎng)且薄，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的路徑可產(chǎn)生較大的起伏，從而增加了裂紋擴(kuò)展的難度，提高了斷裂抗力，另外裂紋擴(kuò)展時(shí)合金片層間可產(chǎn)生較多的微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生同樣需要吸收能量，綜合以上原因，E工藝下組織的斷裂韌性稍高。

總體而言，TC4-DT鈦合金在Tβ+15 ℃保溫50 min時(shí)，具有較好的強(qiáng)度、塑性以及斷裂韌性匹配，強(qiáng)度可達(dá)865 MPa, 斷面收縮率可達(dá)31%，而斷裂韌性能夠達(dá)到99 MPa·m1/2。

3　結(jié)　論

(1)對(duì)TC4-DT鈦合金進(jìn)行準(zhǔn)β熱處理，在單相區(qū)保溫40 min及以下時(shí)，為網(wǎng)籃組織，在單相區(qū)保溫50 min及以上時(shí)，組織形態(tài)呈現(xiàn)魏氏組織特征。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，組織中晶粒尺寸逐漸增大，晶粒內(nèi)部片狀α相變得更長(zhǎng)更細(xì)，這一切都是由于α穩(wěn)定元素的擴(kuò)散導(dǎo)致的。

(2)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TC4-DT鈦合金的強(qiáng)度呈明顯遞增趨勢(shì)，塑性逐漸變差，而斷裂韌性值呈上升趨勢(shì)。

(3)TC4-DT鈦合金在Tβ+15 ℃保溫50 min時(shí)，具有較好的強(qiáng)度、塑性以及斷裂韌性匹配，強(qiáng)度可達(dá)865 MPa, 斷面收縮率可達(dá)31%，而斷裂韌性能夠達(dá)到99 MPa·m1/2。

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Effect of Quasi-beta Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TC4-DT Titanium Alloy

Wang Wenjie

(Naval Equip Department，Xi’an 710021，China)

The effect of five quasi-beta heat treatments on microstructure and mechanical properties of TC4-DT titanium alloy by changing holding time in the single phase region. The results show that the microstructure is basket-weave structure after holding for 40 min or less，but the microstructure is widmanstatten structure after holding for 50 min or more. With increasing holding time，the grain size increases，the lamellarαphase becomes longer and thinner, the strength and fracture toughness increase progressively，and ductility decreases gradually. After holding for 50 min in the single phase region, TC4-DT titanium alloy gets better match of strength，ductility and fracture toughness. The tensile strength, reduction of area, and fracture toughness are 865 MPa, 31% and 99 MPa·m1/2,

TC4-DT titanium alloyquasi-beta heat treatmetn；microstructure；mechanical properties

2015-11-06

王文杰(1975—)，男，高級(jí)工程師。

TG166.5

A

1009-9964(2016)01-0023-05