雙重退火工藝對(duì)TC21鈦合金板材組織和性能的影響

TC21是我國(guó)自主研發(fā)的高強(qiáng)高韌鈦合金，名義成分為Ti-6.4Al-3Mo-1.9Nb-2.1Zr-2Sn-1.5Cr，經(jīng)固溶處理后，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1100MPa以上。因其優(yōu)異的綜合性能，已在國(guó)內(nèi)宇航領(lǐng)域獲得大量使用。由于TC21合金強(qiáng)度高，加工難度大，前期國(guó)內(nèi)主要以鍛造方式生產(chǎn)棒材和鍛件。對(duì)于TC21合金鍛造產(chǎn)品已進(jìn)行大量研究工作，而本文則針對(duì)厚度為6.3mm的板材開展熱處理工藝對(duì)其性能和組織影響的研究，為后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1、實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

坯料為在相變點(diǎn)以下30~50℃鍛造板坯，其規(guī)格為153mm×502mm×802mm。鑄錠采用3次真空自耗電弧熔煉（VAR）熔煉，鑄錠扒皮、切冒口處理，鑄錠頭部取樣采用金相法檢測(cè)相變點(diǎn)為970℃。經(jīng)過(guò)三火次軋制生產(chǎn)工藝制備出厚度6.3mm的TC21鈦合金板材，熱軋后未經(jīng)熱處理（熱軋態(tài)）及固溶時(shí)效后的板材各兩塊，對(duì)其板材采用水切割方式取試樣，化學(xué)成分見表1。

表1板材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2板材熱處理

使用高精度（±2℃）箱式熱處理爐對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，先選取不同固溶溫度對(duì)試樣進(jìn)行固溶處理，固溶熱處理時(shí)間均為1h，冷卻方式為空氣冷卻（AC）。對(duì)最優(yōu)固溶溫度（900℃）處理后的試樣進(jìn)行不同溫度的時(shí)效處理，時(shí)效熱處理時(shí)間均為4h，冷卻方式為空氣冷卻，固溶溫度與時(shí)效溫度見表2。

表2板材固溶溫度與時(shí)效溫度°C

1.3性能測(cè)試

測(cè)試了板材的顯微組織、拉伸性能，其中板材力學(xué)性能均按標(biāo)準(zhǔn)GB/T3621—2007實(shí)驗(yàn)方法執(zhí)行，測(cè)試方向?yàn)闄M向（T），為保證測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)熱處理制度測(cè)試3個(gè)樣，結(jié)果取平均值。

2、結(jié)果與討論

2.1固溶溫度對(duì)板材顯微組織的影響

圖1為板材在熱軋態(tài)及固溶處理后的橫向顯微組織照片。從圖中可以看出，熱態(tài)組織和固溶處理后的組織均為α+β兩相區(qū)加工態(tài)組織，隨著溫度的升高，組織中初生α相含量減少，次生α相含量增加，組織更加均勻細(xì)小。當(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)，晶粒尺寸最小，組織最均勻。隨著熱處理溫度繼續(xù)升高，920℃時(shí)，已出現(xiàn)了β相，溫度繼續(xù)升高至940℃，由于退火溫度接近相變點(diǎn)，此時(shí)晶粒長(zhǎng)大顯著，組織中大部分為β相及較少的初生α相及次生α相。這種粗大的β組織對(duì)綜合性能不友好。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，要想得到組織均勻，綜合性能優(yōu)異的板材，一般都需要進(jìn)行雙重?zé)崽幚恚挛膶?duì)經(jīng)過(guò)900℃固溶處理的板材試樣進(jìn)行時(shí)效熱處理。

圖1板材熱軋態(tài)及不同固溶溫度處理后的顯微組織：（a）熱軋態(tài)；（b）840℃；（c）860℃；（d）880℃；（e）900℃；（f）920℃；（g）940℃

2.2固溶溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響

圖2為不同固溶溫度下板材橫向力學(xué)性能，可以看出，熱態(tài)板材的橫向抗拉強(qiáng)度（Rm）達(dá)到1307MPa，經(jīng)840℃退火后強(qiáng)度降低，隨著固溶溫度的升高，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度（Rp0.2）呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到900℃時(shí)，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到最大值1315MPa和1195MPa，這是因?yàn)殡S著固溶溫度的升高初生α相含量減少，900℃時(shí)晶粒最細(xì)小，達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果，并且較高的固溶溫度可使TC21鈦合金在固溶退火后組織中保留更多的β相，進(jìn)而促使組織在時(shí)效處理后能析出更多的次生α相，提高強(qiáng)化效果。溫度繼續(xù)升高到940℃，晶粒長(zhǎng)大，板材強(qiáng)度降低。隨著固溶溫度的升高，材料的延伸率（A）和斷面收縮率（Z）先增大后減小，在860℃時(shí)在到最大，是因?yàn)榇藴囟认拢牧蟽?nèi)組織均勻，晶粒細(xì)小，材料的韌性相對(duì)較高。

圖2不同固溶溫度下板材力學(xué)性能：（a）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；（b）延伸率和斷面收縮率

2.3時(shí)效溫度對(duì)板材顯微組織的影響

圖3是對(duì)900℃固溶處理后的板材，再經(jīng)過(guò)540~620℃固溶時(shí)效處理后的組織照片，可以看出各時(shí)效溫度下組織均為α+β兩相區(qū)加工組織，淺色為α相，深色為β相，時(shí)效溫度對(duì)組織變化影響不大，經(jīng)測(cè)定初生α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右，600℃時(shí)組織最均勻，晶粒細(xì)小，等軸化最明顯，有少量次生α相析出，在此過(guò)程中通常會(huì)得到較高的強(qiáng)度和塑性，由此推斷此溫度下的時(shí)效效果最佳。

圖3板材不同固溶溫度處理后的顯微組織：（a）540℃；（b）560℃；（c）580℃；（d）600℃；（e）620℃

2.4時(shí)效溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響

對(duì)900℃固溶后的板材進(jìn)行540~620℃時(shí)效處理，板材的力學(xué)性能如圖4所示。可以看出隨著時(shí)效溫度的增大，板材強(qiáng)度變化不大，600℃時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值1275MPa，同時(shí)抗拉強(qiáng)度為1350MPa。板材的延伸率（A）變化不大，但是斷面收縮率（Z）達(dá)到最大值32.6%。

圖4不同時(shí)效溫度下TC21板材力學(xué)性能：（a）抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；（b）延伸率和斷面收縮率

3、結(jié)論

（1）不同固溶溫度對(duì)TC21鈦合金板材（6.3mm）組織有較大的影響，隨著固溶溫度的升高，組織中β相增多，900℃時(shí)組織更加均勻細(xì)小，板材的強(qiáng)度達(dá)到最高。

（2）固溶后的板材再經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，組織和性能更加優(yōu)異，600℃時(shí)效后屈服強(qiáng)度達(dá)到最大1275MPa，斷面收縮率最高。

（3）TC21板材（6.3mm）選用900℃/1h，AC+600℃/4h，AC雙重退火制度，可以得到板材的強(qiáng)度和塑性的良好匹配。