固溶工藝對Ti12LC合金組織性能的影響

侯智敏, 趙永慶, 張鵬省, 毛小南, 尹雁飛, 李思蘭

(1．西北有色金屬研究院 鈦合金研究所，陜西 西安710016)(2．西北工業大學材料學院，陜西 西安710072)

1 前 言

鈦合金可廣泛應用于各種武器裝備，包括軍用飛機、航空發動機、導彈、各種艦艇、核反應堆、輕型火炮和裝甲車輛等[1-4]。鈦合金的廣泛應用對于降低軍用飛機的結構質量系數，提高航空發動機的推重比，減輕武器裝備的質量，提高裝甲防護性能，延長使用壽命，提高核反應堆安全性和可靠性，提高艦艇搜索、發現和跟蹤能力等都具有重要的作用。然而，長期以來成本太高，這一制約鈦合金應用的主要問題一直都沒有從根本上得到解決，因此低成本鈦合金及其制備技術成為目前重要的研究熱點[5-7]。

西北有色金屬研究院研制的Ti12LC低成本鈦合金，由于采用廉價的FeMo中間合金取代昂貴的V和Zr等合金元素，其原料成本與TC11相比降低10%以上[8]，且該合金的力學性能優于TC11。由于性能及成本上的優勢，其完全可以替代TC11進行廣泛的推廣應用[9]。前期的研究工作，特別是針對熱處理工藝對強韌性匹配的影響規律缺乏深入研究和討論[10]。本文對Ti12LC合金進行兩種不同工藝的固溶+時效熱處理，分析了固溶工藝參數對合金顯微組織、室溫拉伸性能及沖擊韌性的影響，優化了合金的強韌性匹配工藝，希望推動該合金的進一步應用。

2 實驗材料與方法

首先通過3次真空自耗熔煉制備了φ420 mm 噸級鑄錠，然后采用逐級降溫的方法進行開坯鍛造及改鍛，最終在兩相區鍛成φ170 mm的棒材，棒材的鍛態組織見圖1。如圖1所示，合金的顯微組織由初生α相、細小次生α相及β基體組成。初生α相含量為23%，大部分初生α相呈等軸α，也有部分是島狀的長條狀α相，初生α相的直徑/寬度約為5 μm。差式掃描量熱法(DSC)測得合金Tβ轉變溫度為895 ℃。實驗用熱處理試樣采用電火花線切割方法從φ170 mm棒材1/2R處切取。對樣品進行不同工藝的固溶+時效熱處理，分析其對組織及力學性能的影響，具體的熱處理工藝見表1。組織分析通過OLYMPUS/PMG3光學顯微鏡(OEM)進行，金相試樣拋光后，采用HF+HNO3+H2O (體積比1∶3∶10)腐蝕液浸蝕。試樣力學性能測試在Instron 1185力學試驗機上進行。

圖1 Ti12LC合金φ170 mm棒材鍛態組織Fig.1 The microstructure of Ti12LC alloy bar as-forged

No.Heat treatment parameters1#850 ℃×1 h/AC+540 ℃×6 h/AC2#800 ℃×1 h/AC+540 ℃×6 h/AC3#880 ℃×1 h/FC+540 ℃×6 h/AC4#880 ℃×1 h/FC+800 ℃×1 h/AC+540 ℃×6 h/AC

3 實驗結果與分析

3.1 固溶工藝對合金顯微組織的影響

3.1.1 單重固溶工藝對合金顯微組織的影響

圖2為Ti12LC合金經不同工藝單重固溶后的金相組織。與鍛態組織相比，單重固溶后初生α相有等軸化趨勢，組織更加均勻，細小的次生α球消失，β基體上的細板條狀α相隱約可見。850 ℃高溫固溶后，初生α相尺寸變化不大，球化明顯，初生α相含量稍有減小，約為19%，見圖2a。800 ℃固溶后，初生α相尺寸有一定的增加，相含量增加，約為25%，見圖2b。與高溫固溶后的組織相比，低溫固溶后α相球化效果沒有高溫固溶明顯，但β基體上的次生α相更加清晰。

圖2 Ti12LC合金經1#(a)和2#(b)熱處理工藝后的金相組織Fig.2 Metallographs of Ti12LC heat treated with 1#(a) and 2# (b)

3.1.2 雙重固溶工藝對合金顯微組織的影響

合金在880 ℃高溫固溶爐冷后，初生等軸α相尺寸稍有增加，大量次生條狀α相析出，厚度約為2 μm，見圖3a。一定厚度的條狀α相析出有利于改善合金的韌性，但是慢的冷卻速率會導致α相的過析出，引起時效強化效果的急劇惡化。合金經高溫預固溶+二次低溫固溶后，初生等軸α相尺寸及相含量均變化不明顯，條狀次生α相尺寸減小，相含量下降明顯，見圖3b。但是與單重低溫固溶處理后的合金組織相比，次生α相厚度增加明顯，相含量大幅增加。

圖3 Ti12LC合金經3#(a)和4#(b)熱處理工藝后的金相組織Fig.3 Metallographs of Ti12LC heat treated with 3#(a) and 4# (b)

3.2 固溶工藝對合金力學性能的影響

表2為Ti12LC合金經不同工藝熱處理后的室溫拉伸性能及沖擊韌性。可以看出，單重固溶+時效處理后，較高的固溶溫度可以使合金獲得更好的時效強化效果，從而獲得更高的強度，但是塑性及韌性較低。降低固溶溫度可以改善合金的塑性及沖擊韌性，但對沖擊韌性改善并不明顯。采用1#工藝熱處理后，金相組織中只有約20%的初生α相和大量細小的次生α相彌散分布在β基體中，時效強化效果明顯，由于次生α相非常細小，導致合金的沖擊韌性較差。與1#工藝相比，采用2#工藝低溫固溶后，初生α相含量及尺寸均有一定的增加，次生α相尺寸明顯增加，導致時效強化效果減弱。雖然初生α相的強化效果有一定的增加，但整體表現為強度大幅下降，塑性明顯增加。由于只有少量小尺寸條狀次生α相析出，因此，合金沖擊韌性改善不明顯。

表2 經不同熱處理工藝處理后的Ti12LC力學性能

4#工藝熱處理后，合金的沖擊韌性明顯改善，塑性、強度介于1#工藝與2#工藝之間，強塑性匹配較好。與2#工藝相比，相同的最終固溶溫度，導致合金的時效強化效果相當；一定厚度的次生α相析出，其起到一定程度的強化效果，但可以明顯改善合金的韌性。3#工藝熱處理后，雖然次生α相厚度及相含量均明顯增加，但爐冷熱處理會嚴重削弱兩相鈦合金時效強化效果，損害合金的強度[11]，因此并不可取。4#工藝熱處理后合金的室溫強度還有較大的調整空間，可以通過提高固溶溫度，進一步改善合金的塑性及韌性，相關的研究工作有待于進一步開展。

4 結 論

(1)α+β相區單重固溶+時效熱處理后，Ti12LC合金的室溫拉伸性能隨固溶溫度的增加而增加，塑性及沖擊韌性降低，合金的抗拉強度可以達到1 315 MPa。

(2)α+β相區高溫預固溶爐冷+低溫固溶+時效熱處理后，合金的強度、塑性介于單重高溫固溶與低溫固溶處理之間，沖擊韌性明顯改善，達到33.5 J·cm-2，強度、塑性及韌性匹配良好。

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