鍛造工藝和時效處理對TC10鈦合金組織和性能的影響

秦桂紅，嚴 彪，計 波，吳英彥，陸 偉

(1.同濟大學，上海 201804)(2.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940)

0 引 言

TC10鈦合金名義成分為Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，是在Ti-6Al-4V合金基礎上添加較多β相穩定元素V及其他調節元素而形成的一種典型α+β雙相鈦合金[1-3]。由于其優異的力學性能、耐熱性能(可在400 ℃以下長期使用)、較好的抗氧化性、耐蝕性和焊接性能，被廣泛應用于飛機機身、火箭發動機、核反應堆部件以及石油勘探用油井管等部件[4-5]。與Ti-6Al-4V合金相比，TC10鈦合金增加的β相穩定元素極大地改善了其熱處理特性，退火態強度超過了Ti-6Al-4V合金，同時也可通過固溶時效熱處理達到更高的強度。由于α+β鈦合金的性能與α相和β相的相對含量及形貌密切相關，而棒材的組織則與鍛造工藝和熱處理制度密不可分[6-9]。因此， 為得到綜合性能良好匹配的TC10鈦合金棒材，研究了熱變形工藝和時效溫度對組織和力學性能的影響規律，以期為石油勘探用油井管等提供優質坯料。

1 實 驗

實驗材料采用寶鋼特鋼生產的φ508 mm TC10鈦合金鑄錠。鑄錠經過2次真空自耗熔煉，其化學成分如表1所示。通過金相法測得合金相變點為930 ℃。

表1 TC10鈦合金鑄錠的化學成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TC10 titanium alloy ingot

TC10鈦合金鑄錠經過A、B 2種不同鍛造工藝加工成φ130 mm棒材。其中，工藝A：鑄錠→單相區2次墩拔→相變點附近2次墩拔→兩相區2次換向墩拔→兩相區2次拔長→徑鍛機鍛至φ130 mm；工藝B:鑄錠→單相區2次墩拔→相變點附近2次墩拔→兩相區2次單向墩拔→兩相區2次拔長→徑鍛機鍛至φ130 mm。分別從2種工藝獲得的棒材端部沿橫向和縱向截取金相試樣和拉伸試樣，采用蔡司AXIOPLAN2金相顯微鏡觀察顯微組織，采用Zwicke Z-150萬能試驗機測試拉伸性能。對比2種工藝制備的棒材的力學性能，選取性能較優的棒材在馬弗爐中進行875 ℃×2 h/WC固溶處理，然后分別在510、550、560、600 ℃進行保溫6 h的時效處理。從時效處理后的棒材上截取金相試樣和拉伸試樣，進行組織觀察和拉伸性能測試。

2 結果與分析

圖1為2種不同鍛造工藝得到的棒材鍛態金相照片。從圖中可以看出，鑄錠的原始粗晶組織得到了很好的破碎，原始晶界不復存在，棒材組織由初生α相、α′相和殘余β相組成，屬于典型的α+β雙態組織。采用工藝A生產的棒材組織以等軸初生α相為主，并且均勻性較好，且橫向組織與縱向組織差別不大，只是縱向組織中初生α相含量稍多，這跟照片拍攝視場有關。而工藝B生產的棒材組織中條狀α相較多，橫向和縱向組織差別較大，縱向組織初生條狀α相和次生條狀α相具有明顯的方向性。

TC10鈦合金棒材鍛態室溫拉伸性能如表2所示。可以看出，采用工藝A生產的棒材縱向性能和橫向性能差別不大，說明棒材的各向異性較小。采用工藝B生產的棒材縱向與橫向拉伸性能差別較大，縱向性能明顯優于橫向性能，這主要是因為工藝B得到的棒材的組織均勻性差，橫向組織與縱向組織差別較大。工藝B得到的棒材組織中α相以條狀為主，條狀α相對強度貢獻較大，但不利于塑性性能。

圖1 采用不同鍛造工藝生產的TC10鈦合金棒材金相照片Fig.1 Metallographs of TC10 titanium alloy bars produced by different forging processes:(a)process A,transverse; (b)process A, longitudinal; (c)process B, transverse; (d)process B,longitudinal

Table 2 Tensile properties of TC10 titanium alloy bars with different forging processes

圖2為工藝A得到的TC10鈦合金棒材在875 ℃固溶處理后再經不同溫度時效處理后的金相照片。固溶處理會使部分初生α相溶解轉變為β相，因此初生α相數量(見圖2)與鍛態組織(見圖1)相比明顯減少。固溶過程中形成的亞穩定β相在時效時會轉變成次生α相，時效溫度較低時，亞穩定β相轉變為細小彌散的次生α相。隨著時效溫度的升高，次生α相逐漸增多并聚集長大，當溫度達到560 ℃時，次生α相數量達到最大，且形狀呈細小的短棒狀，如圖2c所示。當時效溫度進一步升高時，次生α相不斷長大變粗，部分析出的α相已與初生α聚集在一起(圖2d)，強化作用減弱。這點與TC4鈦合金的組織變化相似[9]，但由于TC10鈦合金相比TC4鈦合金的β穩定元素較多，其固溶時效組織以β相為主。

圖2 工藝A得到的TC10鈦合金棒材經不同溫度時效處理后的金相照片Fig.2 Metallographs of TC10 titanium alloy bars by process A after aging at different temperatures：(a)510 ℃； (b)550 ℃；(c)560 ℃；(d)600 ℃

時效溫度對TC10鈦合金棒材力學性能的影響如圖3所示。從圖中可以看出，棒材的抗拉強度隨時效溫度的升高先迅速降低再逐漸升高，當時效溫度達到560 ℃時抗拉強度達到最小值。延伸率和斷面收縮率隨時效溫度的變化是先升高后降低，在560 ℃時延伸率和斷面收縮率達到最高值。時效溫度較低時，組織中析出的彌散細小α相和β相混合物對基體具有很好的強化作用，因此抗拉強度較高。但隨著時效溫度的提高，析出相逐漸長大，強化作用逐漸減弱，在560 ℃時強度達到最低，之后抗拉強度隨時效溫度升高而升高，這是因為析出的彌散細小的α相進一步長大并與初生α相發生聚集，有利于強度的提高。而延伸率和斷面收縮率的變化規律與抗拉強度的變化規律正好相反。強度和塑性是一對對立的指標，當時效溫度較低時，析出的細小彌散α相和β相混合物分布在晶界，阻礙了位錯滑移，塑性較低。隨著時效溫度升高，細小彌散的析出相進一步長大，形成新的晶界，晶粒進一步均勻化，塑性提高，在560 ℃時塑性最佳。當時效溫度超過560 ℃時，組織進一步粗化，塑性變差。時效溫度為550 ℃時棒材可以獲得良好的綜合力學性能。

圖3 時效溫度對TC10鈦合金棒材力學性能的影響Fig.3 Effect of aging temperature on mechanical properties of TC10 titanium alloy bars

3 結 論

(1)采用工藝A獲得的TC10鈦合金棒材組織均勻性好，且性能的各向異性小；工藝B獲得的棒材組織均勻性差，且性能的各向異性大。

(2)TC10鈦合金棒材的抗拉強度隨時效溫度升高先降低后升高，而塑性則隨時效溫度升高先升高后降低。

(3)TC10鈦合金棒材經875 ℃×2 h/WC+550 ℃×6 h/AC熱處理可以獲得良好的綜合力學性能。

[1] 稀有金屬加工手冊編寫組. 稀有金屬材料加工手冊[M].北京: 冶金工業出版社，1984: 87．

[2] 陳軍，趙永慶，常輝． 中國船用鈦合金的研究和發展[J].材料導報，2005，19(6):67-70．

[3] 王鎬，祝建雯，何瑜，等． 鈦在艦船領域的應用現狀及展望[J].鈦工業進展，2003，20(6):42-44．

[4] 孟祥軍,時錦．漫談鈦合金在艦船上的應用[J].鈦工業進展，2003，20(4/5):23-26．

[5] 黃曉艷, 劉波，李雪．鈦合金在艦船上的應用[J].南方金屬，2005(6):10-11．

[6] 胡曉晨，陳林，朱寶輝,等.變形方式和熱處理工藝對Ti-662 合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業進展，2013，30(2)：17-20.

[7] 張智，李維，廖強，等.不同鍛造工藝對TC10鈦合金組織和性能的影響[J]. 機械工程與自動化，2014(3)：108-111.

[8] 戚運蓮，杜宇，劉偉，等. 熱處理溫度對 TC10 鈦合金棒材組織與性能的影響[J].鈦工業進展，2011，28(5)：31-33.

[9] 顧曉輝, 劉君, 石繼紅. 淬火、時效溫度對TC4鈦合金組織和力學性能的影響[J]. 金屬熱處理，2011,36(2):29-33.