基于熱處理溫度對TA12鈦合金組織與性能控制的研究

韓盼盼，冀宣名

(1.江南機電設計研究院，貴州貴陽550025；2.貴州大學材料與冶金學院，貴州貴陽550025)

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基于熱處理溫度對TA12鈦合金組織與性能控制的研究

韓盼盼1，冀宣名2

(1.江南機電設計研究院，貴州貴陽550025；2.貴州大學材料與冶金學院，貴州貴陽550025)

通過對TA12鈦合金在不同溫度下進行相同時間的保溫然后空冷，并對其組織及性能進行測定和分析研究，結果表明：在低于相變點加熱，隨著保溫溫度的升高，初生α相含量降低；當保溫溫度在相變溫度以上的1 070℃時，空冷后得到魏氏組織。TA12鈦合金經(jīng)熱處理后的沖擊韌性呈現(xiàn)隨溫度升高先稍微下降然后增大的趨勢,且層片狀組織優(yōu)于等軸狀。

TA12鈦合金 熱處理 顯微組織 力學性能

近α型雙相鈦合金因具有比強度高，韌性、延展性好以及耐蝕性優(yōu)良等優(yōu)點而被廣泛應用于航空、 航天、 化工、 醫(yī)療等領域。TA12鈦合金是中科院金屬研究所在Ti55合金基礎上進行優(yōu)化完善而研發(fā)的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型合金。由于增加了熱強元素Ta和Nb，同時去掉了稀土元素Nd，其熱穩(wěn)定性與高溫持久性能都極其優(yōu)良，可達550℃的高溫下長期工作，同時具有較好的塑性[1-4]。故其在航空航天領域得到相當廣泛的應用，主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機盤、鼓筒、葉片等[5-7]。

合金的性能與組織息息相關，在成分固定、塑性加工工藝一定的情況下，不同的熱處理工藝，可以得到不同的組織。適當?shù)臒崽幚砜梢垣@得希望的組織，通過改善合金組織、合金的性能，提高服役能力[8-9]，因此，熱處理參數(shù)的確定對合金極其重要。本文針對加熱溫度對TA12鈦合金組織及性能的影響進行一定的探索，力求建立空冷條件下加熱溫度與組織、性能的關系，進而對提高TA12鈦合金的服役能力提供一定的指導作用。

1 實驗材料及方法

圖1 TA12臺合金原始顯微組織

實驗材料為TA12鈦合金，屬Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系近α鈦合金。圖1為本次實驗采用的TA12鈦合金實驗處理前顯微組織，通過此圖可知，實驗前材料的組織為等軸初生α相和β轉變組織。

通過查閱文獻并采用連續(xù)升溫金相法獲得本批次鈦合金的相變點，依此為依據(jù)，制定熱處理工藝。熱處理實驗過程為保證試樣反應完全，對試樣保溫40 min，然后快速取出水淬，待試樣完全冷卻后取出，去除試樣表面氧化層，金相試樣磨制拋光后采用kroll 腐蝕劑進行腐蝕，在OLYMPUS BX41M光學顯微鏡上進行顯微組織觀察，力學性能試樣按照國標制備成沖擊試樣在JBGDS-300A型沖擊試驗機上進行沖擊實驗。

2 實驗結果與分析

2.1 熱處理溫度對合金組織的影響

試樣經(jīng)790℃、830℃、870℃、910℃、970℃、1 010℃、1 060℃保溫空冷后的組織如圖2所示。

圖2 保溫3 min后空冷的微觀組織

由圖可知：在加熱溫度較低即遠低于合金相變溫度時，經(jīng)加熱保溫淬火后的合金組織為大量的初生α相以及少量的β轉變組織的混合體，其中初生α相形態(tài)呈現(xiàn)為球狀和等軸狀，β轉變組織較為細小成針狀。隨溫度的升高，初生α相含量有所增加，但在910℃以下時，這種數(shù)量的變化不明顯。當加熱溫度達到910℃時，β轉變組織變化稍微明顯，初生α相約為79.1%。當溫度再次升高，達到970℃時，大量α相發(fā)生轉變，初生α相降為約57.9%，β轉變組織含量明顯增加，次生α相呈片狀分布且密集排列，同時，在β轉變組織處有晶界呈現(xiàn)。當溫度升高至1 010℃時，從相變理論來說此時溫度已經(jīng)在相變溫度點以上，組織應該全部為β相，不應出現(xiàn)初生α相，但可能由于熱處理轉移時間的控制限制以及空冷冷卻速度相對較低，導致合金還有部分初生α相。當溫度升至1 060℃時，此時保溫后空冷得到的組織為片層狀的β相轉變組織。此時，由于溫度較高，α晶核首先在晶界處形成，同時從晶界處向晶內生長，形成位相相同且平行排列的條狀組織，即魏氏組織。

2.2 熱處理溫度對合金室溫性能的影響

TA12鈦合金熱處理后的室溫強度如圖3(a)所示。由圖可知：經(jīng)790℃、830℃保溫處理后的試樣，由于熱處理溫度遠離相變溫度，其組織變化不大，較為接近，組織決定性能，故其抗拉強度變化不大。當熱處理溫度為870℃時，合金強度相對較大，達到996MPa，隨溫度的再次升高，強度出現(xiàn)相對較大速度下降，這是由于隨著溫度的變化，TA12鈦合金的組織出現(xiàn)較大變化，初生α降低。隨著溫度的繼續(xù)升高，由于溫度較高，原子擴散速度較快，相變動力較大，晶粒較細小，抗拉強度再次增大。圖4為試樣經(jīng)870℃熱處理的試樣室溫拉伸的顯微斷口，斷口呈45℃角，呈現(xiàn)為一定量的淺狀韌窩，韌窩的邊緣類似尖菱狀，較為明亮，韌窩整體呈無規(guī)則排列，其斷裂為典型的韌性斷裂，韌窩較淺，說明合金整體塑性相對一般。合金經(jīng)熱處理后的沖擊韌性如圖3(b)所示，合金的韌性隨組織的粗大而增大，且層片狀組織優(yōu)于等軸狀，故其韌性出現(xiàn)稍微下降后然后隨溫度的升高而增大。

圖3 TA12不同熱處理溫度后室溫拉伸性能

3 實驗結果分析

圖4 試樣經(jīng)870熱處理的室溫拉伸的顯微斷口形貌

合金的組織決定性能，合理的熱處理可以獲得希望的組織，本文研究了熱處理溫度對TA12合金組織與性能的影響，結果表明：

1)在相變溫度以下，隨著保溫溫度的升高，熱處理后初生α相含量降低，β相含量增加；當保溫溫度在相變溫度以上的1070℃時，熱處理后得到魏氏組織。

2)TA12鈦合金經(jīng)熱處理后抗拉強度呈現(xiàn)一個相對急速的下降后再次上升，沖擊韌性出現(xiàn)稍微下降后然后隨溫度的升高而增大的趨勢，且層片狀組織優(yōu)于等軸狀。

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Study on the influence of heat treatment temperature on microstructure and properties of TA12 titanium alloy

HAN Panpan，JI Xuanming

The microstructure and properties of the TA12 titanium alloy were determined and analyzed under heating at different temperatures for the same time and then air cooling. The results show that the content of the primary α phase decreased with increasing temperature below the phase transformation temperature; the widmanstatten structure was get after air cooling with the heating temperature above the 1070℃. After heat treatment, the impact toughness of TA12 titanium alloy decreased slightly first and then increased increasing temperature.

TA12 titanium alloy, heat treatment, microstructure, mechanical property

TG146．2

A

1002-6886(2016)05-0091-03

韓盼盼(1988-)，女，碩士，工程師，研究方向：控制理論。

2016-07-15