雙重退火制度對TC21 鈦合金斷裂韌性的影響

史春玲，王浩軍，石曉輝，曾衛東

(1. 中航工業西安飛機工業(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089)

(2. 西北工業大學凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072)

1 前 言

隨著飛機結構設計理念的發展，損傷容限型鈦合金得到了更加廣泛的關注［1］。TC21 鈦合金是我國研制的一種新型損傷容限型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0. 1Si。它具有高強度(1 100 MPa)、高斷裂韌性(70 MPa·m1/2)和較低的裂紋擴展速率等特點［2］，可作為重要的結構鈦合金在航空航天領域得到應用。其綜合力學性能可與美國的Ti-6-22-22S 合金相媲美［3］。

斷裂韌性是材料阻止宏觀裂紋失穩擴展能力的度量，是材料損傷容限性能的重要參數，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關。對于一種給定的合金，研究不同的熱處理制度對其斷裂韌性的影響規律已經變得刻不容緩。前人主要研究了TC21 鈦合金的相變行為、組織演變及變形行為［4-7］，但是就雙重退火工藝對TC21 鈦合金斷裂韌性［8］影響的研究鮮有報道。本研究對此進行初步探討，以期為后人提供參考。

2 實 驗

實驗用原材料為148 廠提供的TC21 鈦合金準β鍛件，原材料的相變點經測定為963 ℃。鍛后的材料被切割成4 份，分別進行如下4 種雙重退火處理:

A 890 ℃×2 h/AC+500 ℃×4 h/AC;

B 890 ℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC;

C 950 ℃×2 h/AC+500 ℃×4 h/AC;

D 950 ℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC。

雙重退火后的TC21 鈦合金試樣均放進氬氣中冷卻，冷卻氣壓為0.1 MPa。TC21 鈦合金雙重退火處理完成后，按照國標GB/T 4161—1984 從4 塊試料上分別取樣并進行平面應變斷裂韌性測試，所取試樣均為T-L 向標準緊湊拉伸試樣。為了保證所得斷裂韌性數據的有效性，每組工藝下取3 個試樣進行測試。室溫拉伸性能按照國標GB/T 228—2002 進行取樣和測試，取樣方向為L 向，每組工藝下也取3個試樣。文中所用斷裂韌性及拉伸性能實驗結果均為平均值。從4 種工藝試料中隨機取φ5 mm ×10 mm 的小圓柱，經過粗磨、細磨和粗拋、細拋制成金相試樣，隨后用HF、HNO3、H2O 體積比為1∶3∶7的腐蝕劑腐蝕，在OLYMPUS PMG3 金相顯微鏡下選區拍照。用數碼相機拍攝4 種工藝下拉斷后斷裂韌性試樣的宏觀斷口照片，并且在JEOL JSM-6390A 型掃描電鏡下拍攝4 種工藝下斷裂韌性試樣失穩擴展區的斷口形貌。

3 實驗結果

3.1 雙重退火對TC21 鈦合金顯微組織的影響

圖1 為TC21 鈦合金在4 種雙重退火工藝條件下的顯微組織。在第一次退火溫度為890 ℃、第二次退火溫度分別為500 ℃和590 ℃的工藝條件下，雙重退火試樣的顯微組織相似，差別在于第二次退火溫度為500 ℃的試樣原始β 晶界不明顯，次生α 相較細長，見圖1a 和圖1b。這是由于第二次退火溫度較低時，不能提供次生相生長所需的能量。在第一次退火溫度為950 ℃、第二次退火溫度為500 ℃的工藝條件下，試樣組織包含較細的次生α 相(粗約1～2 μm)及少量塊狀α 相，還可看到被破碎的原始β晶界。第一次退火溫度也為950 ℃，而第二次退火溫度為590 ℃工藝條件下，試樣組織由大量粗大的次生α 相(粗約2 ～4 μm)、晶界破碎的α 相及少量塊狀α 相［9-10］組成，見圖1c 和圖1d。

圖1 4 種雙重退火工藝條件下TC21 鈦合金的金相照片Fig.1 Metallograghs of TC21 alloy under different duplex annealing heat treatments

總的來說，第一次退火溫度相同的情況下，隨著第二次退火溫度升高，次生α 相長大變粗;而在第二次退火溫度相同的情況下，第一次退火溫度對次生相寬度影響較小。

3.2 雙重退火對TC21 鈦合金力學性能的影響

表1 為4 種工藝下TC21 鈦合金室溫斷裂韌性及縱向拉伸性能實驗結果。經對比發現，4 種退火制度下TC21 鈦合金試樣斷裂韌性均在100 MPa·m1/2以上。第一次退火溫度相同的情況下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金斷裂韌性略有升高;而第二次退火溫度相同的情況下，第一次退火溫度對TC21 鈦合金斷裂韌性影響較小。其中，在D 工藝條件下熱處理的TC21 鈦合金斷裂韌性最高，可達109.7 MPa·m1/2。

表1 TC21 鈦合金室溫斷裂韌性及拉伸性能Table 1 The fracture toughness and tensile properties of TC21 alloy

比較表1 所示的TC21 鈦合金在4 種雙重退火工藝條件下的縱向室溫拉伸性能可以看出，在第一次退火溫度相同的條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金強度降低，塑性無明顯變化。這是由于較高的第二次退火溫度使次生相長大，從而降低了第二相的強化作用［11］。而在第二次退火溫度相同的條件下，隨著第一次退火溫度的升高，TC21 鈦合金強度升高，塑性降低，這是由于較高的第一次退火溫度可使TC21 鈦合金在第一次退火后組織中保留更多的β 相，進而促使組織在第二次退火后能析出更多的次生α 相，提高強化效果。

3.3 雙重退火對TC21 鈦合金斷裂韌性斷口試樣形貌的影響

圖2 為數碼相機拍攝的4 種熱處理工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣宏觀斷口照片。比較圖2中4 種工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣失穩擴展區宏觀斷口可以發現，在第一次退火溫度為890℃的條件下，第二次退火溫度為500 ℃的試樣失穩擴展區斷口較590 ℃的更為崎嶇。這是由于第二次退火溫度為500 ℃的試樣，條狀組織α 相細且長，細片層組織的片層較細且取向任意，不斷改變裂紋走向，增加了裂紋擴展的曲折性［12-13］。在第一次退火溫度為950 ℃的條件下，第二次退火溫度為590℃的試樣失穩擴展區斷口較500 ℃的更為崎嶇。這是由于第二次退火為590 ℃試樣條狀α 相粗且長，較α 相細短的500 ℃試樣更能增加裂紋偏轉路徑。

圖2 4 種雙重退火工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣的宏觀斷口照片Fig.2 Macrographs of fracture toughness fractography under different duplex annealing heat treatments

圖3 為4 種熱處理工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣失穩擴展區斷口形貌的SEM 照片。在第一次退火溫度為890 ℃的條件下，對比圖3a 和圖3b可以發現，第二次退火溫度為500 ℃和590 ℃的TC21 鈦合金斷裂韌性試樣失穩擴展區斷口均為準解理斷裂。但是相比第二次退火溫度為590 ℃的斷口，500 ℃試樣的斷口高差小，韌窩較淺，且解理斷裂占據更大部分。在第一退火溫度為950 ℃的條件下，對比圖3c 和圖3d 可以發現，第二次退火溫度為590℃的試樣斷口高差大，韌窩深，且韌性斷裂占據更大部分。

圖3 4 種雙重退火工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣斷口形貌的SEM 照片Fig.3 Micrographs of fracture toughness fractography under different duplex annealing heat treatments

對比TC21 鈦合金斷裂韌性試樣宏觀斷口和微觀斷口，可以發現第一次退火溫度的影響都不明顯。

4 分析與討論

裂紋擴展路徑和塑性是影響金屬材料斷裂韌性的兩個主要因素，一般情況下裂紋擴展路徑越復雜，材料的塑性越好，那么斷裂韌性就越高。這是由于復雜的裂紋擴展路徑能使裂紋在擴展中不斷地轉向，從而使裂紋在擴展中消耗更多的裂紋擴展功。金屬材料的塑性越好，在裂紋尖端處越容易發生塑性變形，那么裂紋擴展就需要克服塑性變形功(Wp)［14］，而Wp的數值往往比表面能大幾個數量級，是裂紋擴展需要克服的主要阻力。

在第一次退火溫度為890 ℃的條件下，第二次退火溫度為500 ℃的TC21 鈦合金斷裂韌性試樣具有較復雜的裂紋擴展路徑，但塑性低于590 ℃的試樣。590 ℃試樣的裂紋擴展需要克服更大的塑性變形功，斷裂韌性也就略高。在第一次退火溫度為950 ℃的條件下，由于第二次退火溫度為590 ℃的試樣相較于500 ℃的試樣具有更加復雜的裂紋擴展路徑和較高的塑性，裂紋擴展更加不容易，因此具有較高的斷裂韌性。

斷裂韌性代表裂紋在失穩擴展區吸收能量的能力。由于890 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 和950℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC 兩種工藝條件下TC21鈦合金斷裂韌性試樣失穩擴展區斷口高差大，韌窩深，且韌性斷裂占據更大部分，更能阻止裂紋擴展，因此應具有較高的斷裂韌性，與實驗結果相符。崎嶇的裂紋擴展路徑和較好的塑性使得經950 ℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC 雙重退火的TC21 鈦合金具有最高的斷裂韌性，可達109.7 MPa·m1/2。

5 結 論

(1)在第一次退火溫度相同的條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金次生α 相長大變粗;而在第二次退火溫度相同的條件下，第一次退火溫度對TC21 鈦合金次生相厚度影響較小。

(2)在第一次退火溫度相同條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金強度降低，塑性無明顯變化;而在第二次退火溫度相同的條件下，隨著第一次退火溫度的升高，TC21 鈦合金強度升高，塑性降低。

(3)4 種雙重退火制度下，TC21 鈦合金斷裂韌性均在100 MPa·m1/2以上。第一次退火溫度相同的條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金斷裂韌性略有升高;而在第二次退火溫度相同的條件下，第一次退火溫度對TC21 鈦合金斷裂韌性影響很小。

(4)經890 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 和950 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 兩種工藝熱處理的TC21 鈦合金失穩擴展區斷口高差大，韌窩深，更能阻止裂紋擴展。崎嶇的裂紋擴展路徑和較好的塑性使得經950 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 雙重退火的TC21 鈦合金具有最高的斷裂韌性，可達109.7 MPa·m1/2。

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