（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

TC6鈦合金是目前應(yīng)用最廣泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系熱強(qiáng)合金，是馬氏體型α+β兩相鈦合金，可在400℃～450℃下長(zhǎng)期工作[1]。其名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、轉(zhuǎn)動(dòng)件及緊固件。已有研究發(fā)現(xiàn)：TC6鈦合金的組織和性能對(duì)熱處理方法非常敏感[2]，但對(duì)小規(guī)格棒材的熱處理對(duì)TC6鈦合金的組織及性能的影響方面研究還不夠深入，本文通過(guò)對(duì)TC6Ф50mm棒材進(jìn)行不同的熱處理，研究不同熱處理工藝對(duì)TC6鈦合金顯微組織及性能的影響規(guī)律，從而指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的經(jīng)三次真空熔煉的Ф686mm的TC6鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)測(cè)定，該鑄錠的相變點(diǎn)為980℃。

1.2 試驗(yàn)方法

鑄錠經(jīng)單相區(qū)開(kāi)坯，在兩相區(qū)進(jìn)行中間鍛造，在精鍛機(jī)上進(jìn)行成品鍛造，鍛至Ф50mm的棒材。棒材的熱加工態(tài)顯微組織如圖1所示。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中標(biāo)準(zhǔn)的要求，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)三種不同的熱處理制度，具體試樣的熱處理制度如表2所示。

本試驗(yàn)顯微組織在Axiovert200MAT光學(xué)顯微鏡上觀測(cè)，力學(xué)性能在Instron5885拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，高溫試驗(yàn)在WDW-3200高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)在JNS-300沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同熱處理制度對(duì)顯微組織的影響

普通退火，即完全退火，可以消除殘余應(yīng)力，發(fā)生再結(jié)晶，使材料的塑性充分恢復(fù)[3]。雙重退火，第一階段保溫后采用空冷，保留亞穩(wěn)定相，在第二階段加熱及保溫的過(guò)程中析出次生α相。等溫退火，第一階段保溫后采用隨爐冷卻的方式冷卻，保留部分亞穩(wěn)定相[4]，在這個(gè)過(guò)程中伴有初生α相的長(zhǎng)大和次生α相的析出過(guò)程，在第二次的保溫過(guò)程中次生α相不斷析出長(zhǎng)大。

如圖1所示，TC6 合金Ф50mm棒材的熱加工態(tài)組織為典型的α+β兩相區(qū)加工組織，同時(shí)可以看出，熱加工態(tài)的棒材組織細(xì)小，α相和β兩種相的分布相對(duì)均勻。

圖1 TC6合金Ф50mm棒材的熱加工態(tài)顯微組織（×500）

對(duì)兩相鈦合金來(lái)說(shuō)，α相和β相的再結(jié)晶分為兩個(gè)階段：①初始階段：完成形核、長(zhǎng)大；②晶粒的進(jìn)一步長(zhǎng)大。在初始階段，又分為兩種類型：①通常意義上所說(shuō)的再結(jié)晶，即由形核、長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程組成；②原位再結(jié)晶，即在原有晶粒的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步長(zhǎng)大，此過(guò)程晶體的取向不發(fā)生變化。在隨后的爐冷過(guò)程中，還要發(fā)生β相向α相的轉(zhuǎn)變，這時(shí)也有一個(gè)形核長(zhǎng)大的過(guò)程。圖2為Φ50mm棒材經(jīng)A、B、C三種不同制度熱處理后的顯微組織。如圖2所示，與圖1所示的熱加工態(tài)顯微組織相比，完全退火后相的數(shù)量無(wú)明顯變化，但組織發(fā)生了一定程度的多邊形化，熱態(tài)中細(xì)小的相略有長(zhǎng)大；雙重退火和等溫退火后相的數(shù)量和形態(tài)均有所變化，經(jīng)過(guò)等溫退火處理和雙重退火處理后的組織存在一定的差異，雙重退火和等溫退火的組織均由初生α＋β＋次生α相組成，初生α相在熱處理過(guò)程中明顯粗化（發(fā)生明顯再結(jié)晶現(xiàn)象），等溫退火后的初生α相相的數(shù)量相對(duì)較多，且次生α相呈小塊狀，而雙重退火后的次生α相呈針狀。等溫退火第一級(jí)退火的冷卻為爐冷至650℃，冷速較慢，在冷卻過(guò)程中，次生α相漸漸析出，由于冷速慢，在析出的過(guò)程中不斷長(zhǎng)大，因此經(jīng)過(guò)等溫退火后的合金組織中次生α相的片層較厚。而雙重退火處理時(shí)第一級(jí)退火后冷卻為空冷，快速冷卻導(dǎo)致次生α相的片層較薄。雙重退火后的初生α相和次生α相均比等溫退火后的α相細(xì)，這是由于雙重退火制度兩次冷卻都是采用空冷，而等溫退火第一次冷卻采用爐冷，減緩了冷卻速度，在第一次保溫后隨爐冷卻的過(guò)程中，初生α相有條件繼續(xù)長(zhǎng)大，同時(shí)也加快了次生α相的析出，使得初生α相不斷長(zhǎng)大變厚，在第二次加熱過(guò)程中，次生α相同時(shí)伴有析出和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程，因此經(jīng)過(guò)等溫退火的組織次生α相的片層較雙重退火的組織更厚。

表1 實(shí)驗(yàn)TC6合金錠的化學(xué)成分（wt.%）

圖2 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后的顯微組織（×500）

表3 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后的性能

圖3 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后室溫拉伸性能

圖4 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后沖擊性能和400℃高溫拉伸性能

2.2 不同熱處理對(duì)性能的影響

表3是TC6合金Ф50mm棒材經(jīng)不同熱處理后的室溫拉伸、高溫拉伸及沖擊韌性測(cè)試數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)葴赝嘶饡r(shí)采用隨爐冷卻，可以得到相當(dāng)穩(wěn)定的α+β組織，穩(wěn)定的α+β組織塑性很好。雙重退火處理采用空冷，這時(shí)則形成亞穩(wěn)定β相，產(chǎn)生部分分解從而強(qiáng)化合金，其強(qiáng)度比爐冷的高，而塑性則比爐冷的低。

由圖3可以看出：雙重退火后棒材的強(qiáng)度最高，可達(dá)1148MPa，而塑性最差，普通退火后棒材的強(qiáng)度居中，但強(qiáng)度與塑性匹配最優(yōu)，等溫退火后棒材的強(qiáng)度最低，屈服強(qiáng)度為966MPa，塑性優(yōu)于雙重退火。通過(guò)以上分析，可以得出結(jié)論：小規(guī)格棒材經(jīng)普通退火后可以得到較好的強(qiáng)度與塑性的匹配。

由圖4可以看出：400℃拉伸試驗(yàn)顯示雙重退火能夠得到相對(duì)較高的高溫強(qiáng)度，可達(dá)850MPa，其次為普通退火，等溫退火最差。普通退火后棒材的沖擊性能最優(yōu)，可達(dá)60J/cm2，雙重退火后棒材的沖擊性能最差，等溫退火居中。這是由于相對(duì)于雙重退火和等溫退火，普通退火后的α相和β相的尺寸更細(xì)小，相界面更多，很好地阻礙了位錯(cuò)及其他缺陷的移動(dòng)和裂紋的擴(kuò)展，從而得到相對(duì)較好的性能匹配。而等溫退火后的組織由于初生α相的粗化，使得沖擊試驗(yàn)過(guò)程中相對(duì)于雙重退火可以吸收更多的能量。

3 結(jié)論

(1)普通退火后的組織由細(xì)小的初生α和β相組成，雙重退火和等溫退火后的組織由初生α相、β相和次生α相組成。

(2)雙重退火的室溫強(qiáng)度可達(dá)1148MPa，但塑性最差，普通退火可獲得較好的強(qiáng)度與塑性匹配，等溫退火的室溫強(qiáng)度最低，只有1032MPa，塑性優(yōu)于雙重退火。

(3)雙重退火的400℃高溫拉伸強(qiáng)度科大850℃，普通退火與等溫退火的強(qiáng)度也都大于750MPa。

(4)普通退火后棒材的沖擊韌性最高，可達(dá)60J/cm2，等溫退火次之，雙重退火最差。