航空用TC18钛合金锻饼的制备工艺

TC18钛合金为高合金化、深度淬透性的过渡型α+β钛合金，具有高强度、高韧性、优良的塑性和焊接性的特点，俄罗斯牌号为BT22，由前苏联航空材料研究院（BHAM）于1974年开发成功，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。

TC18钛合金一般在退火状态下使用，强度水平与TC4、TC6等钛合金固溶时效状态的强度相当，也可以通过固溶时效进行强化，其半成品包括板材、棒材、挤压型材和锻件，国外已将其广泛应用于制备大型机起落架横梁、机身对接框等主承力结构件，在飞机结构中用TC18钛合金代替高强钢或TC4钛合金，可减重15%～20%。

以下介绍航空用TC18钛合金锻饼的制备工艺，重点研究了双重退火时采用不同的第一级高温退火温度对于TC18钛合金组织及性能的影响，从而为TC18锻件热处理工艺的确定提供依据。

1、实验方法

1.1 合金的熔炼

原材料选用0级海绵钛、AlMo合金、AlV合金及纯Fe、纯Cr，采用真空自耗电炉经三次熔炼得到Φ440mm×1800mm铸锭，铸锭的化学成分见表1所示。

1.2 饼材的锻造

铸锭在β相区开坯锻造成Φ230mm，然后用锯床切成Φ230mm×310mm的饼坯；在β相区将饼坯镦粗到Φ320mm×160mm，再换向拔长成到Φ230mm×310mm，重复三次；成品的锻造温度在α+β两相区，采用边镦粗边滚圆，最后锻成Φ400mm×90mm饼材。

1.3 锻饼的热处理

对于TC18钛合金锻件，推荐的热处理制度为双重退火，即第一级高温退火：820～850℃，保温1～3 h，炉冷至740～760℃，保温1～3 h，空冷；第二级低温退火：加热至500～650℃，保温2～6 h，空冷。

为了研究第一级高温退火温度对于双重退火组织及性能的影响，分别采用试验a和试验b进行双重退火试验。

从锻造后的Φ400mm×90mm饼材上，切取纵向和横向试样。试样经热处理后，用光学显微镜观察显微组织，进行室温力学性能测试。

2、实验结果和分析

2.1 TC18钛合金双重退火的显微组织

试验a的双重退火态组织由初生αp相和β基体组成（见图1a），初生αp相均匀分布，呈等轴状，次生αs相较细小，不易分辨，所有的β晶界已充分破碎。试验b的双重退火态组织中出现大量的片状次生αs相（见图2b），初生等轴αp相增粗，且比例减少。

研究表明，TC18钛合金双重退火时，第一级较高温度的固溶退火是为了保留一定数量的亚稳定相，同时锻压变形的合金发生再结晶，随后较低温度的保温是组织稳定化处理，为后续的第二级时效退火做准备。

初生αp相是在第一级较高温度的退火所形成的，在空冷过程中保留下来，次生αs相是由高温时的β相在空冷过程转变得到的。第一级的高温退火温度越高，初生αp相含量就越少，β相含量就越多，由其转变得到的次生αs相也就越多，因此820℃的第一级退火与850℃的第一级退火比较，后者双重退火态组织中的初生αp相减少，次生αs相增多。

2.2 TC18钛合金双重退火的力学性能

两种双重退火试验后，TC18钛合金的力学性能见表2。

可以看出，随着第一级高温退火温度由820℃提高到850℃，拉伸强度有一定的提高，塑性有所降低。这是由于随着第一级高温退火温度的升高，初生αp相减少而片状次生αs相的数量随之增加，两相间的界面增多，造成第二相强化效应增强，使得合金的强度升高。条状界面阻碍位错的滑移，位错不易绕过片状αp相，引起变形困难，因此塑性降低。

同时，随着第一级高温退火温度由820℃提高到850℃，冲击韧性和断裂韧性有所降低。这是由于等轴αp相含量减少，片状次生αs相的数量增加，裂纹扩展的路径曲折度减少，降低了断裂时需要的能量，因此冲击韧性和断裂韧性降低。

对比试验a与试验b，前者的双重退火态TC18合金具有优良的室温力学性能，并且得到理想的的强韧度匹配，其组织及性能完全符合航空用钛及钛合金锻件规范（GJBT2744A-2007）的要求。

3、结 论

①提高第一级高温退火温度，双重退火后初生等轴αp相减少，次生片状αs相含量增多；同时拉伸强度有一定的提高，塑性降低，冲击韧性和断裂韧性也有所降低。

②采用820℃×2h，FC至750℃×2h，AC；580℃×3h，AC的双重退火工艺，TC18钛合金锻饼具有优良的室温力学性能，可得到理想的的强韧度匹配。

参考文献：

[1] 于兰兰，毛小南，赵永庆，等.热变形行为与BT22钛合金的组织演变[J].稀有金属材料与工程，2007，（3）.

[2] 沙爱学，李兴元，王庆如，等.热变形温度对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报，2005，（8）.

[3] 王晓燕，郭鸿镇，姚泽坤，等.双重退火对TC18钛合金等温锻件组织性能的影响[J].材料热处理学报，2009，（1）.

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