熱處理對(duì)Ti12LC低成本鈦合金組織和性能的影響

尹雁飛，李思蘭，侯智敏，張鵬省，毛小南，趙永慶

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

熱處理對(duì)Ti12LC低成本鈦合金組織和性能的影響

尹雁飛，李思蘭，侯智敏，張鵬省，毛小南，趙永慶

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了不同熱處理工藝對(duì)Ti12LC低成本鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)分段固溶處理后，Ti12LC合金組織中出現(xiàn)大量的板條狀次生α相，同時(shí)板條狀α相的含量隨著第二階段固溶溫度的降低而增多，尺寸也相應(yīng)增大。同時(shí)分段固溶+時(shí)效的熱處理工藝可以明顯改善Ti12LC合金的沖擊韌性，且當(dāng)板條狀α相含量約為10%時(shí)強(qiáng)度和塑韌性的匹配最佳。沖擊斷口分析表明:與常規(guī)熱處理工藝相比，經(jīng)分段固溶+時(shí)效處理后的Ti12LC合金，其沖擊斷口中纖維區(qū)和剪切唇所占比例更大，韌窩尺寸更大且深度更深。

Ti12LC;熱處理;顯微組織;力學(xué)性能

0 引言

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、無磁性、熱膨脹系數(shù)低、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅被大量應(yīng)用于航空航天、石油化工及海洋工程，而且作為汽車用材很早就引起人們的重視［1－3］。然而鈦合金的制造成本相對(duì)于鋼鐵、鋁合金等大量使用的傳統(tǒng)金屬材料而言要高出許多，較高的制備成本在一定程度上阻礙了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。因此如何降低鈦合金材料的成本成為材料科學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)［4－9］。目前，比較成功的降低鈦合金成本的方法主要有以下3種［5］:①合金設(shè)計(jì)過程中使用廉價(jià)原材料(如Fe等合金元素)或中間合金(Fe-Mo等)來取代昂貴的金屬元素或中間合金;②通過合金設(shè)計(jì)改善加工性能;③加工過程中提高材料的利用率。

Ti12LC合金是西北有色金屬研究院采用廉價(jià)中間合金Fe-Mo自行研制的低成本鈦合金，其性能優(yōu)于常用的TC11鈦合金，且生產(chǎn)成本較TC11鈦合金可降低10%以上。但是由于缺乏系統(tǒng)和深入的研究，特別是關(guān)于合金強(qiáng)度和塑韌性匹配的研究，Ti12LC合金并沒有得到廣泛的應(yīng)用。本研究對(duì)Ti12LC合金進(jìn)行了不同工藝的固溶+時(shí)效熱處理，分析熱處理工藝對(duì)顯微組織、力學(xué)性能和斷口形貌的影響，旨在獲得強(qiáng)度與塑性、韌性匹配的熱處理工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為西北有色金屬研究院自行研制的Ti12LC低成本鈦合金。該合金鑄錠經(jīng)過三次真空自耗熔煉，然后開坯、熱鍛加工成 φ170 mm的鍛坯。其鍛態(tài)顯微組織由初生α相、細(xì)小次生α相及β基體組成［10］。采用DSC法測(cè)得該合金的相變點(diǎn)為(895±5)℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在鍛坯1/2半徑處沿縱向用線切割切取φ10 mm×10 mm、φ10 mm×70 mm和11 mm×11 mm×57 mm的試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行常規(guī)固溶+時(shí)效和分段固溶+時(shí)效處理，分析其對(duì)組織及力學(xué)性能的影響，具體的熱處理工藝見表1。拉伸試驗(yàn)和沖擊性能測(cè)試均采用2個(gè)平行試樣，以便獲得比較可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所用儀器分別為 INSTRON1185和JB-300B型力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)。金相試樣用配比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10 的金相腐蝕劑浸蝕。采用Olympus PMG3光學(xué)顯微鏡觀察熱處理后試樣的顯微組織，并采用JSM-6460型掃描電鏡分析組織中的初生α相形貌、微區(qū)成分及沖擊斷口形貌。

表1 Ti12LC合金的熱處理工藝Table 1 The different heat treatments of Ti12LC alloy

2 結(jié)果及分析

2.1 顯微組織觀察

圖1為Ti12LC合金經(jīng)不同工藝熱處理后的金相照片。分析可知，經(jīng)工藝1熱處理后的組織(如圖1a所示)主要由近似等軸的初生α相和β基體組成，初生α相含量約為25%，同時(shí)β基體上有隱約可見的細(xì)板條狀α相。不同于工藝1，經(jīng)分段固溶+時(shí)效(工藝2～4)處理后，組織中有大量的板條狀次生α相析出(如圖1b～d所示)，同時(shí)次生α相的含量(尺寸)隨著第二階段固溶溫度的降低而增多(增大)。當(dāng)?shù)诙A段固溶溫度為820℃時(shí)，板條狀次生α相的含量不到5%且分布雜亂，板條的長寬比較小(如圖1d所示);當(dāng)?shù)诙A段固溶溫度為800℃時(shí)，板條狀次生α相的含量約為10%且尺寸一致、分布均勻，長寬比適中(如圖1c所示);當(dāng)?shù)诙A段固溶溫度為780℃時(shí)，板條狀次生α相的含量約為15%，長寬比進(jìn)一步增大，同時(shí)有部分尺寸較大的板條(如圖1b所示)。一定厚度的板條狀α相可以使裂紋在擴(kuò)展過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加裂紋的擴(kuò)展路徑，從而提高沖擊韌性。

圖1 Ti12LC合金經(jīng)不同工藝熱處理后的金相照片F(xiàn)ig.1 OM micrographs of Ti12LC samples with different heat treatments

2.2 次生α相形貌及微區(qū)成分分析

圖2 不同工藝熱處理的Ti12LC合金中次生α相形貌Fig.2 The secondary α phase morphology of Ti12LC alloy with different heat treatments

不同工藝(工藝1和工藝3)熱處理后Ti12LC合金次生α相的形貌如圖2所示。經(jīng)工藝3處理后，組織中出現(xiàn)許多或平行或相交的板條狀次生α相，厚度從0.2～1 μm不等，長度一般小于10 μm。與工藝1相比，初生等軸α相的含量略有減少，形狀和尺寸基本保持不變。表2為初生α相(圖2位置1)和β轉(zhuǎn)變組織(圖2位置2)中的各金屬元素含量測(cè)試結(jié)果。由表2可知，經(jīng)過分段固溶處理后，初生α相中Al元素含量略有增高，同時(shí)固溶有少量的Mo元素，其Al當(dāng)量有所降低。Rhodes等認(rèn)為影響Ti-6Al-4V合金沖擊韌性的主要因素有初生α相形貌、合金元素分解、α/β相界的雜質(zhì)元素等，沖擊韌性值隨著初生α相和α相中Al含量的提高而降低［11］。

表2 初生α相和β轉(zhuǎn)變組織中的各元素含量(w/%)Table 2 The contents of various elements in primary α phase and transformed β phase

2.3 力學(xué)性能分析

2.3.1 熱處理對(duì)Ti12LC合金力學(xué)性能的影響

表3為Ti12LC合金經(jīng)不同工藝熱處理后的室溫拉伸性能和沖擊韌性。由表3可知，分段固溶+時(shí)效的熱處理工藝可以在不損失或較小損失強(qiáng)度和塑性的同時(shí)提高沖擊韌性，改善合金強(qiáng)度和塑韌性的匹配。另外，隨著第二階段固溶溫度的升高，沖擊韌性先升高后降低。雖然板條狀α相有助于改善材料的沖擊韌性，但材料的強(qiáng)度和塑性對(duì)沖擊韌性都有影響。與低溫固溶相比，分段固溶處理產(chǎn)生的板條狀次生α相可以一定程度的提高強(qiáng)度，但是板條狀α相所占比例越高、板條尺寸越大，將會(huì)顯著降低材料的塑性。同時(shí)板條狀α相的數(shù)量太少、尺寸太小，也不能起到提高沖擊韌性的作用。綜上所述，經(jīng)工藝3處理的Ti12LC鈦合金，板條狀次生α相含量約為10%且其尺寸一致、分布均勻，最有利于改善強(qiáng)度和塑性、韌性的匹配。

表3 Ti12LC合金經(jīng)不同工藝熱處理后的室溫力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of Ti12LC alloy with different heat treatments

2.3.2 熱處理對(duì)Ti12LC合金沖擊斷口的影響

圖3所示為Ti12LC合金經(jīng)不同工藝(工藝1和工藝3)熱處理后的沖擊斷口形貌。對(duì)比分析圖3a和3b可知，工藝1熱處理后的Ti12LC合金沖擊斷口區(qū)域中纖維區(qū)和剪切唇所占比例較小，同時(shí)放射區(qū)具有明顯的標(biāo)志。對(duì)比分析圖3c和圖3d可知，工藝1和工藝3熱處理后的Ti12LC合金均為韌性斷裂，其中經(jīng)工藝3處理后的Ti12LC合金斷口韌窩尺寸較大且深度更深，經(jīng)工藝1處理后的斷口韌窩不僅尺寸小而淺，且局部位向趨于一致。隨著斷口上纖維區(qū)面積的減小，沖擊斷裂能量發(fā)生劇烈下降，所以斷口上纖維區(qū)的大小可以定性地反映試樣沖擊韌性的好壞。同樣，小的剪切唇區(qū)域、明顯的放射區(qū)標(biāo)志以及小而淺的韌窩也往往表明沖擊韌性較差。

圖3 不同工藝熱處理后的Ti12LC合金沖擊韌性斷口形貌Fig.3 Fracture monographs features of impact toughness of Ti12LC alloy with different heat treatment processes

3 結(jié)論

(1)經(jīng)分段固溶+時(shí)效處理后，Ti12LC合金組織中出現(xiàn)大量的板條狀次生α相，同時(shí)板條狀α相的含量隨著第二階段固溶溫度的降低而增多，尺寸也相應(yīng)增大。

(2)分段固溶+時(shí)效的熱處理工藝可以明顯改善Ti12LC合金的沖擊韌性，且當(dāng)板條狀α相含量約為10%時(shí)最有利于改善強(qiáng)度和塑韌性的匹配。

(3)與常規(guī)熱處理工藝相比，經(jīng)分段固溶+時(shí)效處理后的Ti12LC合金，其沖擊斷口中纖維區(qū)和剪切唇所占比例更大，韌窩尺寸更大且深度更深。

［1］彭艷萍，曾凡昌，王俊杰，等.國外航空鈦合金的發(fā)展應(yīng)用及其特點(diǎn)分析［J］.材料工程，1997(10):3－6.

［2］Hartman A D，Gerdemann S J，Hansen J S.Producing lowercost titanium for automotive applications［J］.Journal of the Minerals，Metals and Materials Society，1998(9):16 －19.

［3］張大軍，張鳳杰.鈦合金在汽車輕量化中的應(yīng)用［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2007，24(1):32－36.

［4］李珍，孫建科.低成本鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37(增刊3):973－976.

［5］趙永慶，魏建峰，高占軍，等.鈦合金的應(yīng)用和低成本制造技術(shù)［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2003，17(4):5－7.

［6］賈蔚菊，曾衛(wèi)東，鍛風(fēng)川.退火對(duì)Ti8LC鈦合金組織與性能的影響［J］.熱加工工藝，2009，38(12):137－142.

［7］趙永慶，吳歡.一種低成本鈦合金的制備方法:中國，201110028440.4［P］.2011－05－18.

［8］朱知壽，商國強(qiáng)，王新南，等.低成本高性能鈦合金研究進(jìn)展［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(6):1－5.

［9］王新南，費(fèi)躍，劉洲，等.航空用新型低成本鈦合金顯微組織與損傷容限性能關(guān)系研究［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2013，30(2):7－10.

［10］侯智敏，趙永慶，張鵬省，等.固溶工藝對(duì)Ti12LC合金組織性能的影響［J］.中國材料進(jìn)展，2014，33(8):506－508.

［11］Rhodes C G，Williams J C.Observations of an interface phase in the alpha/beta boundaries in titanium alloys［J］.Metall Trans A，1975，6:1670－1680.

Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Ti12LC Low-cost Titanium Alloy

Yin Yanfei，Li Silan，Hou Zhimin，Zhang Pengsheng，Mao Xiaonan，Zhao Yongqing
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

The effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Ti12LC titanium alloy were studied by the methods of optical microscope(OM)and scanning electron microscope(SEM).The results indicate that the microstructure of the Ti12LC titanium alloy after two-steps solution treatment contains a large amount of lath secondary α phase，furthermore the proportion and size of lath α phase increase with the decrement of solution temperature in second step solution treatment.The two-steps solution treatment obviously improves the impact toughness，and when the proportion of lath α phase is about 10%，the mechanical properties of Ti12LC titanium alloy is optimum.The fracture SEM morphology points out that compared with the alloy after normal heat treatment，the alloy after two-steps solution treatment has larger fibrous region and shear lip along with larger and deeper dimples.

Ti12LC;heat treatment;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.004

2015－02－26

陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃“鈦合金研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”(2012KCT-23)

尹雁飛(1988—)，男，碩士。