TC18钛合金热处理后的显微结构及力学性能

TC18(BT22）钛合金是一种具有代表性的高强高韧钛合金，具有较好的强韧性匹配，很高的退火状态强度水平。达到1080MPa采用强化处理方式，可超过1300MPa的强度。钛合金具有极佳淬透性，合金退火强度最高，可达250mm的截面淬透厚度，通常用于制造飞机上的大型承力构件，钛合金在航空工业中具有重要的地位。国际航空界材料由传统的静强度转变为损伤容限设计，塑性和韧性的良好匹配，损伤容限型钛合金需要达到一定强度。断裂韧性在β钛合金的研究中发现通常与强度呈反比，β钛合金的强韧化机制及方法是重点的研究方向。国内外关于TC18钛合金热处理制度对组织及性能的研究较多，但处理后显微结构及力学性能研究较少，且系统性研究较差。

因此，本文针对钛合金热处理后的显微结构及力学性能研究，通过实验优化TC18钛合金的性能，定量地分析处理后显微结构及力学性能，开发新型高强高韧钛合金，改善同类型钛合金的性能具有重要研究价值。

1、钛合金的显微结构及力学性能

1.1 钛合金的显微结构

热加工过程多种多样的钛合金，具有十分复杂的相变，其组织类型比较多，包括双态组织、三态组织、等轴组织、网篮组织和魏氏组织。不同的显微组织将具有不同的力学性能，组织决定性能。

1.2 钛合金的力学性能

室温下变形量可达到90%的碘化法钛，其塑性很好。在77K附近时都不发生脆断，冲击加工的缺口试样。随温度的升高而升高的碘化法钛的延伸率和断面收缩率，抗拉强度和屈服强度随温度的升高而降低。钛的杂质元素N、O、C由大到小依次排列，均能提高钛的抗拉强度而降低其塑性。H含量达到0.012～0.015%(wt.%）的钛合金中，力学性能试样的冲击急剧降低，其缺口敏感性大大增加，发生所谓的“氢脆”。除上述元素外，由强到弱依次为Cr、Co、Nb、Mn、Fe、V、Sn七种常用元素对钛强度的影响，也可提高钛合金的强度。与铝、镁合金相比，其强度比好些合金钢还要高，钛合金的强度是镁合金的5倍左右，铝的2倍多[6]。钛合金却变化很小，与室温下的相比大大降低镁、铝合金673K时的强度。约为钢的一倍多的钛合金弹性系数，普通钛合金的抗拉强度为280MPa～1100MPa，当下所有应用的金属材料中最高的钛合金的比强度，抗拉强度可达1270MPa～1480MPa的高强钛合金。

2、实验材料及实验方法

2.1 实验材料制备

通过真空自耗炉三次熔炼，按照Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(wt.%）成分配料的TC18钛合金，化学成分为Ti-5.01Al-4.69Mo-5.14V-1.03Cr-1.06Fe(wt.%）实测。在890℃两墩两拔至Φ150mm圆棒，1150℃六墩六拔开坯成Φ220mm圆棒，一墩一拔成60×100×Lmm坯料的810℃。测定合金的相变点通过金相法，温度升高的热处理，热处理温度值为840℃～860℃之间，逐渐减少合金中初生α相的含量。当达到880℃以上热处理温度时，在870℃时有极少量的热处理温度初生α相，等轴的β形成晶粒组织，确定合金的相变点大约为875℃，初生α相已完全消失。

2.2 实验方法

(1）实验热处理方案

实验热处理方案采用β区固溶主要为了研究TC18钛合金β晶粒的长大规律，β区固溶及α+β两相区固溶+时效的热处理制度，在1080℃、1130℃、1180℃加热，热处理制度分别保温1、2、3、4h后空冷，热处理制度、目标组织和实验目的合金。

(2）组织参数测量

开发的图像分析软件Image-Pro Plus(IPP)6.0，美国Media Cybernetics公司微观组织参数，测量了初生α相αp体积分数v1，次生α相αs厚度D2、体积分数v2，等效圆直径法晶粒尺寸D。

3、热处理后显微组织和组成相特征参数的影响

TC18钛合金经过固溶时效处理后，取决热加工工艺参数及热处理后的显微组织，很大程度合金的以上力学性能，具有强度、疲劳强度、韧性和抗裂纹扩展性能的良好匹配，各显微组织及组成相的特征参数是影响合金力学性能的直接因素。通过热处理温度与显微组织关系的研究，不同的热处理制度组成相及特征参数的研究较少，时效温度对合金组成相特征参数，不同的固溶通过大量的统计计算得出。对TC18钛合金显微组织的影响规律，固溶时效及双重热处理温度提供有力依据。TC18钛合金均由α和β两相组成，在750～860℃之间进行固溶处理后。时效处理后亚稳β相将发生分解，合金仍由α和β两相组成，同时会造成合金元素的重新分布。

3.1 热处理对显微组织的影响

在时效前固溶温度的升高，不同固溶温度合金的扫描照片，等轴α相的等效圆直径变化不明显，合金中初生等轴α相的含量减少。在时效处理条件下，亚稳定β相中将析出条状的次生，不同固溶及时效温度下合金的扫描显微组织。固溶及时效温度的变化，体积分数等也发生变化，析出的次生αs相的厚度。在500℃时效条件下，在β转变基体中析出的次生αs相的弥散程度增大，固溶温度的升高。在780℃固溶条件下，由500℃时效后的细小弥散状长成了经600℃时效后的长条状，次生的αs相开始长大，时效温度的升高。

第一阶段热处理温度在相变点温度以下时，双重热处理制度下初生α相的显微组织，初生α相呈短棒状特征。当第二阶段温度降低时，为不规则的多边形和短棒状组织组成的混合组织，初生α相的形态将发生变化。第一阶段温度在相变点以上，第二阶段温度在相变点以下时，晶界处长条状α相清晰可见，不同的显微组织将具有不同的力学性能，组织决定性能晶内也由有一定趋向关系的长条状α相组成。

3.2 热处理对β、α相晶格参数的影响规律

TC18钛合金的XRD谱，固溶温度对α和β相晶格参数的影响规律，采用外推法计算出α和β相的晶格参数。时效前β相晶格常数增加，随固溶温度的升高，c值和c/a均先增加然后减小，α相的a值基本保持不变；时效后固溶温度的升高，相同时效条件下β相的晶格常数减小，c值和c/a均减小，α相的a值稍降；相同固溶条件下，α相的a值、c值和c/a均增加，β相的晶格常数增加，随时效温度的升高。合金元素与钛原子体积差异综合作用的结果，合金元素在两相中的分布改变，随着热处理温度的变化。固溶处理时，TC18钛合金中的合金元素（Al、Mo、V、Cr、Fe）原子直径均小于钛原子直径，会造成升高固溶温度。使得两相的晶格常数减小，α和β相中的α稳定元素含量升高；使得两相的晶格常数增加，β稳定元素含量降低。对于β相，造成了β相的稳定性随固溶温度的升高而降低，β相晶格常数随固溶温度的升高而增加，显然β稳定元素含量的减少对晶格常数的影响占据了主导地位。

对于α相，β稳定元素含量的减少对晶格常数的影响占据主导地位。较低温度固溶时，α稳定元素含量升高对晶格常数的影响占据主导地位。较高温度固溶时，α相的晶格常数出现了非单调变化，造成固溶时随固溶温度的升高。时效处理后，造成各相中的合金元素重新分布，亚稳β相将发生分解。α相中则含有更低的β稳定元素含量和更高的稳定元素含量，分解形成的新的β相中含有更高的β稳定元素含量和更低的。

4、热处理后的特征参数对力学性能的影响

拉伸性能与固溶温度的关系：

TC18钛合金室温拉伸性能随固溶温度的变化曲线，合金的强度和面缩率呈下降趋势，时效前随着固溶温度的升高，抗拉强度（Rm）约980MPa下降至约900MPa。合金的延伸率（A）基本保持在15%左右，面缩率（Z）由约65%下降至约35%。在500℃时效时，合金的抗拉强度由约1370MPa提高至约1700MPa，随着固溶温度的升高，合金的延伸率也由约10%下降至约4%，约50%降至约3%强度提高约330MPa面缩率。550℃时效时，约55%下降至约20%强度提高约180MPa面缩率，约1270MPa提高至约1450MPa合金的抗拉强度，延伸率由约10%下降至约5%。600℃时效时，面缩率由约60%下降至约37%，合金的抗拉强度由约1170MPa提高至约1350MPa，延伸率由约13%下降至约10%。

结论

通过TC18钛合金β区固溶，采用β区固溶及α+β两相区固溶时效的热处理制度，β晶粒的长大规律及其热力学动力学分析。固溶时效温度及各组织参数对TC18钛合金性能的影响，α+β两相区固溶时效后，依据回归方程对各组织参数和性能的关系进行预测，合金的强度均呈下降趋势，αp体积分数、αs体积分数及厚度的增加，呈上升趋势的塑性，对TC18钛合金室温力学性能的影响要大，αp体积分数较αs体积分数及厚度。

参考文献

[1] 鲍学淳，程礼，陈煊，等．热处理工艺对TC4钛合金组织和力学性能的影响[J]．金属热处理，2019,44(06):137-140.

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[4] 原菁骏，姬忠硕，张麦仓．热变形及热处理过程中TC17钛合金组织与取向的关联性[J]．工程科学学报，2019,41(06):772-780.

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