任馳強(qiáng)，丁一明，李佳佳，張?jiān)圃?，張健?/p>

（1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201；2.鈦合金加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，陜西 西安 710201）

鈦及鈦合金因具有密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)最有發(fā)展前景的金屬材料”，在航空、航天、艦船、石油、生物醫(yī)學(xué)等方面都有廣泛的發(fā)展前景［1～3］。鈦及鈦合金雖然擁有巨大的市場(chǎng)，但是鈦原材料及加工成本偏高，難以大面積推廣應(yīng)用，目前主要用于航天、深海等高科技領(lǐng)域，所以也被譽(yù)為“空間金屬”和“深海金屬”。在鈦合金中，TC4鈦合金是被應(yīng)用最廣泛的，在不同的領(lǐng)域使用對(duì)其性能要求也是不一樣的，性能改善主要通過(guò)鍛造和熱處理，本文主要討論熱處理對(duì)TC4性能的改善。張豪胤、徐堅(jiān)等人對(duì)TC4固溶-時(shí)效進(jìn)行了研究，探明了最佳的時(shí)效溫度，但對(duì)固溶溫度及時(shí)效時(shí)間未進(jìn)行系統(tǒng)的研究［4～7］。

熱處理工藝對(duì)顯微組織有很大影響，而顯微組織很大程度決定了材料的力學(xué)性能和使用性能［8，9］。本文對(duì)TC4鈦合金在不同條件下進(jìn)行固溶-時(shí)效研究，參照AMST4965M標(biāo)準(zhǔn)及相變點(diǎn)，探究固溶溫度、時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間對(duì)TC4鈦合金力學(xué)性能的影響，以及不同拉伸速率對(duì)力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

為確保鈦合金成分均勻，試驗(yàn)選用0級(jí)海綿鈦，采用三次真空自耗電弧爐熔煉，制得Φ720 mm的TC4鈦合金鑄錠，其成分見(jiàn)表1。

表1 TC4鑄錠化學(xué)成分 %

鈦合金熱處理制度的確定，相變點(diǎn)是重要的參考數(shù)值，對(duì)相變點(diǎn)溫度Tβ的測(cè)定有多種方法，如：金相法、差熱分析法、計(jì)算法等，采取多種測(cè)量法可以提高相變點(diǎn)的準(zhǔn)確性［10，11］。本文采用金相法與計(jì)算法相結(jié)合的方式測(cè)定相變點(diǎn)溫度Tβ。金相法測(cè)得相變點(diǎn)溫度Tβ為990～995℃；計(jì)算法根據(jù)計(jì)算公式（1）計(jì)算得到Tβ為991℃。金相法和計(jì)算法得到相變點(diǎn)溫度Tβ接近，因此Tβ可認(rèn)為990℃。

對(duì)鑄錠在β單相區(qū)開(kāi)坯鍛造、近β區(qū)拔長(zhǎng)，在α＋β兩相區(qū)精鍛、軋制成型，制取規(guī)格為Φ28×L試驗(yàn)棒材。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)所制備Φ28的試驗(yàn)棒材，鋸切若干個(gè)長(zhǎng)度為75 mm試樣，使用型號(hào)為SX-2-20-10的馬弗爐，在不同制度下進(jìn)行固溶-時(shí)效熱處理，為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每個(gè)相同條件下熱處理兩組試樣，熱處理制度見(jiàn)表2，10 s代表入水延遲時(shí)間小于10 s；試驗(yàn)序號(hào)1僅進(jìn)行了固溶處理。

表2 熱處理制度

2 結(jié)果與分析

采用型號(hào)為OHXMC50金相光學(xué)電子顯微鏡觀察各狀態(tài)的顯微組織；用型號(hào)為QX-W500拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)固溶時(shí)效熱處理的試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)測(cè)試，拉力速率為0.05 mm/mm/min，每組進(jìn)行兩組試驗(yàn)取其平均值，拉伸試驗(yàn)尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試驗(yàn)圖

2.1 顯微組織特征

材料本身固有的性質(zhì)和材料組織結(jié)構(gòu)決定著材料的性能，材料本身固有的性質(zhì)是不可改變的，而材料組織結(jié)構(gòu)及相比例可以通過(guò)鍛壓和熱處理方式改善，因此研究熱處理對(duì)材料組織的影響至關(guān)重要。不同狀態(tài)下材料顯微組織如圖2所示，圖2（a）為軋制后的R態(tài)顯微組織，為典型的兩相組織，α相細(xì)小均勻分布，呈現(xiàn)條狀組織和少量等軸α組織，另外棒材組織破碎不充分，有少許α相組織有扭折現(xiàn)象。在軋制過(guò)程中，變形量及軋制速度都會(huì)對(duì)組織產(chǎn)生較大影響，為防止過(guò)熱造成晶粒的長(zhǎng)大，將單火次變形量控制在65%以內(nèi)；由于控制了單火次變形量，使組織破碎不充分。圖2（b）為固溶態(tài)顯微組織，從圖中可以看出僅存有少量的初生α相，大量α相在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。固溶在高溫下將大量的α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，然后進(jìn)行快速水淬冷卻，以防止過(guò)多的β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?。在保留了高溫β組織的同時(shí)，也發(fā)生了馬氏體相變，部分β相轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的α′相和α″相，為后期時(shí)效相轉(zhuǎn)變提供良好的組織，以提高鈦合金強(qiáng)度［12，13］。圖2（c）為固溶時(shí)效態(tài)顯微組織，從圖中可以看出有大量細(xì)小的等軸α相及片層組織的析出。時(shí)效將固溶后得到的亞穩(wěn)定組織低溫?zé)崽幚恚偈箒喎€(wěn)定組織β相、α′相及α″相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小、穩(wěn)定的等軸組織與片層組織。

圖2 不同狀態(tài)下顯微組織 （×200）

2.2 不同熱處理制度的力學(xué)性能

鈦合金組織形貌對(duì)溫度非常敏感，熱處理可調(diào)整相比列和組織結(jié)構(gòu)，不同的相比列和組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能也有一定差異。表3為不同固溶時(shí)效制度下棒材力學(xué)性能的數(shù)值，圖3為不同固溶時(shí)效制度下棒材力學(xué)性能的變化趨勢(shì)。從表3數(shù)值中看出，室溫拉伸強(qiáng)度和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力有著明顯的變化，而伸長(zhǎng)率和斷面收縮率無(wú)明顯變化，后續(xù)不進(jìn)行分析討論。從圖3中對(duì)比固溶處理（試驗(yàn)序號(hào)1）和固溶時(shí)效處理（試驗(yàn)序號(hào)2～10）可以看出，固溶時(shí)效后抗拉強(qiáng)度和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力有明顯的提高。固溶后會(huì)析出大量的亞穩(wěn)定相，時(shí)效將亞穩(wěn)定相轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定相，析出片狀組織，而裂紋在片狀組織中的擴(kuò)展路徑更曲折，導(dǎo)致裂紋總長(zhǎng)度增加，斷裂需要消耗更多的能量。表2中試樣序號(hào)2～4探究入水延遲時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)可行性，設(shè)計(jì)了三種入水延遲時(shí)間分別為10 s、15 s、20 s。從圖3中看出，隨著入水延遲時(shí)間的增加，抗拉強(qiáng)度和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力均有下降，這是因?yàn)殡S著入水延遲時(shí)間的增加，使β相有時(shí)間向穩(wěn)定α相轉(zhuǎn)變，而亞穩(wěn)相β相、α′相和α″相減少。時(shí)效過(guò)程中α相會(huì)進(jìn)一步長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大晶界面降低，晶界之間的曲折度減少，易產(chǎn)生滑移；另外，片狀組織析出也會(huì)減少，因此試驗(yàn)編號(hào)2固溶制度在954℃/60 min（WQ，10 s）下性能最佳，即入水延遲時(shí)間控制在10 s以內(nèi)。在探明固溶入水延遲時(shí)間的基礎(chǔ)上，表2中試驗(yàn)序號(hào)2、5～9探究了時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)序號(hào)5～8時(shí)效溫度分別為580℃、550℃、530℃、490℃，保溫時(shí)間均為300 min，從圖3可直觀地看出，隨著時(shí)效溫度的降低抗拉強(qiáng)度和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力先增大后減小，在550℃時(shí)到達(dá)了最大值。而試驗(yàn)序號(hào)8、9時(shí)效溫度均為490℃，保溫時(shí)間分別為300 min、480 min，從圖3可看出保溫300 min時(shí)抗拉強(qiáng)度和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力較保溫480 min的大。這是因?yàn)闀r(shí)效溫度過(guò)大和保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易促使晶粒的長(zhǎng)大；而時(shí)效溫度偏低和保溫時(shí)間過(guò)短，易導(dǎo)致亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)化不充分，因此不合理的時(shí)效制度會(huì)影響材料的綜合性能。對(duì)固溶制度、時(shí)效制度的分析試驗(yàn)，認(rèn)為熱處理制度在954℃/60 min（WQ，10 s）＋550℃/300 min（AC）下，為最佳熱處理制度。

表3 不同固溶時(shí)效制度下力學(xué)性能

圖3 不同固溶時(shí)效制度下棒材的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

1.經(jīng)固溶處理后大部分的α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，再由部分β相轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相α′相、α″相及未轉(zhuǎn)變的高溫β相。隨后時(shí)效過(guò)程中α′相和α″相分解，生成穩(wěn)定相α、β和中間化合物；高溫β相部分分解，生成穩(wěn)定相α、β及次生片層狀結(jié)構(gòu)。

2.熱處理制度在954℃/60 min（WQ，入水延遲時(shí)間）＋550℃/270 min（AC）下，發(fā)現(xiàn)入水延遲時(shí)間10 s內(nèi)，強(qiáng)度達(dá)到最佳。說(shuō)明水淬時(shí)間越短，保留的高溫β相、α′相和α″相越多，為后續(xù)時(shí)效過(guò)程提供了良好的轉(zhuǎn)變組織。

3.熱處理制度在954℃/60 min（WQ，10 s）＋550℃/300 min（AC）下，強(qiáng)度達(dá)到最佳。說(shuō)明在550℃/300 min時(shí)效制度下，高溫β相、α′相和α″相向穩(wěn)定相得到了充分的轉(zhuǎn)換與生長(zhǎng)。