TC4鈦合金在節能熱處理中的組織演變分析

沈陽航空航天大學（遼寧 110136）康少酺 李 壯 姜 行 吳天宇 于 濤 李朝華

TC4鈦合金的性能往往通過熱處理來提高，利用最短的加熱周期，獲得最佳的性能。Al是鈦合金中的主要合金元素，對提高鈦合金的常溫強度、降低密度、增加彈性模量有明顯的促進作用。Al元素對鈦合金而言，屬于α穩定化元素。鈦合金中加入適量Al元素后，可以顯著提高其α/β轉變溫度，擴大α相區。TC4鈦合金的組織變化通常可以通過熱機械工藝過程來實現，Al元素在其組織演變過程中起著重要的作用。

本試驗采用快速升溫、緩慢冷卻、不同溫度下水冷的工藝熱處理，對TC4鈦合金顯微組織、硬度變化對比分析，通過探討Al在TC4鈦合金組織演變過程中的作用，獲得最佳熱處理工藝參數，以便縮短生產周期，獲得最佳性能，達到節能減排效果。

1.試驗材料與方法

經測定本試驗所用TC4鈦合金中Al含量為5.7%，材料成分如表1所示。

利用電火化數控切割機床將退火后的TC4鈦合金原料制備成18個10mm×10mm×10mm正方體試樣。取3個試樣為一組在SX-14-14電阻爐中加熱保溫后，以1℃/min的冷卻速率進行冷卻，冷卻至950℃、900℃、850℃、800℃、750℃、700℃時取出水冷，試驗工藝見圖1。用HV－50A維式硬度分析儀測量3個試樣的硬度并取平均值。經磨、拋制備成金相試樣,采用腐蝕劑（HF:HNO3:H2O=1:3:5）進行腐蝕，然后用Olympus-BX51金相顯微鏡和FEI 掃描電鏡觀察試樣的組織變化。試驗的目的是為了更好地了解TC4鈦合金不同溫度水冷時的組織演變，以便制定最佳熱處理工藝，縮短熱處理周期，獲得節能減排效果。

圖1 熱處理工藝曲線

表1 TC4鈦合金的化學成分（質量分數） （%）

2.試驗結果與分析

（1）不同溫度水冷對試樣硬度的影響 圖2為試樣不同溫度水冷過程中硬度變化曲線。由圖2可知，試樣冷卻至900℃取出水冷后硬度值為209HV5，隨著冷卻溫度的降低試樣硬度增大。在800℃取出水冷后硬度達到246HV5的最高值。隨著冷卻溫度的繼續降低硬度隨之降低，在700℃時硬度降低至230HV5。隨著冷卻溫度的降低，試樣在冷卻過程中硬度變化趨勢為先上升后下降，在冷卻溫度800℃取出水冷后達到峰值。

圖2 硬度隨冷卻溫度的變化

（2）冷卻至不同溫度下的組織變化 由圖2可知，試樣在冷卻溫度降至800℃的過程中硬度值是逐漸增大的，在800℃時硬度達到最高值，當冷卻溫度低于800℃時硬度逐漸降低。在此期間，TC4鈦合金慢速冷卻至不同溫度下水冷的顯微組織也呈現出相應的變化規律，其中冷卻至900℃、800℃、700℃溫度的顯微組織分別如圖3～5所示。

從圖3可見，冷卻到900℃時原始β晶粒很少，晶界α相較多。圖4為冷卻到800℃的顯微組織，圖中出現了等軸α和轉變β，晶界有細密傾向，晶粒短小且均勻。在冷卻溫度降至700℃時，從圖5中可以看到試樣組織轉變為粗大的片層α相和少量β相。

圖3 900℃水冷的顯微組織

圖4 800℃水冷的顯微組織

圖5 700℃水冷的顯微組織

（3）Al元素在TC4鈦合金相變中的作用 TC4鈦合金在1000℃固溶后慢冷至不同溫度水冷過程中β相向（α+β）轉變，過冷度小，晶核首先在晶界形成,并長大成網狀晶界α相。由于Al元素對α相的穩定作用，當冷卻到900℃時主要發生晶界α層形核和析出，少量α片層開始從晶界向晶內生長，Al元素促進了晶界處α層的形核；當冷卻到800℃時晶界形核的α片層向晶內生長,形成全片層組織，晶界處出現針狀α；隨著水冷溫度降低到700℃時，α相增多并出現初生等軸α相且析出轉變β相。

從圖2中可知，試樣硬度在800℃產生轉折，在800℃以上水冷，由于α相析出，硬度隨溫度降低而增大，在該溫度以下水冷時，由于轉變β相的產生，硬度開始下降。α相粒子尺寸、形狀及體積分數對合金的硬度有重要影響，Al元素作為TC4鈦合金中的α相穩定元素，可強化α固溶體，在試驗中合金自β相區冷卻，進入兩相區之后主要的相轉變為β/α，α相在晶界形核,并向晶內長大。眾所周知，Al的固溶強化作用非常顯著，因Al元素的存在，試樣在冷卻過程中α相的形態等發生變化，直接影響了TC4鈦合金硬度的變化。

冷卻溫度在900～1000℃期間，組織基本為β相，晶界中有少量α相析出，α相主要在晶界形核并逐漸向晶內長大。也就是說，TC4鈦合金冷卻到兩相區高溫階段時主要發生晶界α層形核和析出。隨著溫度的下降，α相體積分數逐漸增大。已有研究表明，Al的添加會影響鈦合金組織中高密度位錯的分布以及位錯的滑移，個別位錯機制主要取決于Al在鈦合金的含量。當冷卻溫度在800～850℃時，試樣硬度最高，組織最為均勻。當溫度降低800℃以下時，開始產生等軸晶組織，且析出轉變β相，組織變的粗大，硬度下降。TC4鈦合金由于Al元素的存在，在緩慢冷卻過程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出，該兩相析出后，隨固溶后冷卻溫度的降低而長大，對TC4鈦合金的硬度性能造成影響。

3.結語

（1）Al元素在TC4鈦合金固溶冷卻過程中促進了α相的形成，隨著冷卻溫度降低，TC4鈦合金首先出現原始β晶粒和晶界α相，當溫度降到800℃左右時組織轉變為等軸α和轉變β，隨著溫度的繼續降低，組織變化為粗大的片層α相和少量β相。

（2）Al元素可強化TC4鈦合金中α相并影響試樣硬度變化，TC4鈦合金固溶后緩慢冷卻到800℃水冷時，析出α相均勻細小，最終試樣硬度達到246HV5的最高值。研究結果對獲得最佳性能從而縮短生產周期具有重要的實際意義。