TC6鈦合金小規格棒材熱處理工藝研究

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

TC6鈦合金是目前應用最廣泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系熱強合金，是馬氏體型α+β兩相鈦合金，可在400℃～450℃下長期工作[1]。其名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，主要用于航空發動機葉片、轉動件及緊固件。已有研究發現：TC6鈦合金的組織和性能對熱處理方法非常敏感[2]，但對小規格棒材的熱處理對TC6鈦合金的組織及性能的影響方面研究還不夠深入，本文通過對TC6Ф50mm棒材進行不同的熱處理，研究不同熱處理工藝對TC6鈦合金顯微組織及性能的影響規律，從而指導實際生產。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

本實驗所用材料為寶雞鈦業股份有限公司生產的經三次真空熔煉的Ф686mm的TC6鈦合金鑄錠，其化學成分如表1所示。經測定，該鑄錠的相變點為980℃。

1.2 試驗方法

鑄錠經單相區開坯，在兩相區進行中間鍛造，在精鍛機上進行成品鍛造，鍛至Ф50mm的棒材。棒材的熱加工態顯微組織如圖1所示。根據實際生產中標準的要求，本次試驗設計三種不同的熱處理制度，具體試樣的熱處理制度如表2所示。

本試驗顯微組織在Axiovert200MAT光學顯微鏡上觀測，力學性能在Instron5885拉伸試驗機上進行，高溫試驗在WDW-3200高溫拉伸試驗機上進行，沖擊試驗在JNS-300沖擊試驗機上進行。

2 結果與分析

2.1 不同熱處理制度對顯微組織的影響

普通退火，即完全退火，可以消除殘余應力，發生再結晶，使材料的塑性充分恢復[3]。雙重退火，第一階段保溫后采用空冷，保留亞穩定相，在第二階段加熱及保溫的過程中析出次生α相。等溫退火，第一階段保溫后采用隨爐冷卻的方式冷卻，保留部分亞穩定相[4]，在這個過程中伴有初生α相的長大和次生α相的析出過程，在第二次的保溫過程中次生α相不斷析出長大。

如圖1所示，TC6 合金Ф50mm棒材的熱加工態組織為典型的α+β兩相區加工組織，同時可以看出，熱加工態的棒材組織細小，α相和β兩種相的分布相對均勻。

圖1 TC6合金Ф50mm棒材的熱加工態顯微組織（×500）

對兩相鈦合金來說，α相和β相的再結晶分為兩個階段：①初始階段：完成形核、長大；②晶粒的進一步長大。在初始階段，又分為兩種類型：①通常意義上所說的再結晶，即由形核、長大兩個過程組成；②原位再結晶，即在原有晶粒的基礎上，進一步長大，此過程晶體的取向不發生變化。在隨后的爐冷過程中，還要發生β相向α相的轉變，這時也有一個形核長大的過程。圖2為Φ50mm棒材經A、B、C三種不同制度熱處理后的顯微組織。如圖2所示，與圖1所示的熱加工態顯微組織相比，完全退火后相的數量無明顯變化，但組織發生了一定程度的多邊形化，熱態中細小的相略有長大；雙重退火和等溫退火后相的數量和形態均有所變化，經過等溫退火處理和雙重退火處理后的組織存在一定的差異，雙重退火和等溫退火的組織均由初生α＋β＋次生α相組成，初生α相在熱處理過程中明顯粗化（發生明顯再結晶現象），等溫退火后的初生α相相的數量相對較多，且次生α相呈小塊狀，而雙重退火后的次生α相呈針狀。等溫退火第一級退火的冷卻為爐冷至650℃，冷速較慢，在冷卻過程中，次生α相漸漸析出，由于冷速慢，在析出的過程中不斷長大，因此經過等溫退火后的合金組織中次生α相的片層較厚。而雙重退火處理時第一級退火后冷卻為空冷，快速冷卻導致次生α相的片層較薄。雙重退火后的初生α相和次生α相均比等溫退火后的α相細，這是由于雙重退火制度兩次冷卻都是采用空冷，而等溫退火第一次冷卻采用爐冷，減緩了冷卻速度，在第一次保溫后隨爐冷卻的過程中，初生α相有條件繼續長大，同時也加快了次生α相的析出，使得初生α相不斷長大變厚，在第二次加熱過程中，次生α相同時伴有析出和長大兩個過程，因此經過等溫退火的組織次生α相的片層較雙重退火的組織更厚。

表1 實驗TC6合金錠的化學成分（wt.%）

圖2 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后的顯微組織（×500）

表3 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后的性能

圖3 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后室溫拉伸性能

圖4 TC6合金Ф50mm棒材不同熱處理后沖擊性能和400℃高溫拉伸性能

2.2 不同熱處理對性能的影響

表3是TC6合金Ф50mm棒材經不同熱處理后的室溫拉伸、高溫拉伸及沖擊韌性測試數據。

當等溫退火時采用隨爐冷卻，可以得到相當穩定的α+β組織，穩定的α+β組織塑性很好。雙重退火處理采用空冷，這時則形成亞穩定β相，產生部分分解從而強化合金，其強度比爐冷的高，而塑性則比爐冷的低。

由圖3可以看出：雙重退火后棒材的強度最高，可達1148MPa，而塑性最差，普通退火后棒材的強度居中，但強度與塑性匹配最優，等溫退火后棒材的強度最低，屈服強度為966MPa，塑性優于雙重退火。通過以上分析，可以得出結論：小規格棒材經普通退火后可以得到較好的強度與塑性的匹配。

由圖4可以看出：400℃拉伸試驗顯示雙重退火能夠得到相對較高的高溫強度，可達850MPa，其次為普通退火，等溫退火最差。普通退火后棒材的沖擊性能最優，可達60J/cm2，雙重退火后棒材的沖擊性能最差，等溫退火居中。這是由于相對于雙重退火和等溫退火，普通退火后的α相和β相的尺寸更細小，相界面更多，很好地阻礙了位錯及其他缺陷的移動和裂紋的擴展，從而得到相對較好的性能匹配。而等溫退火后的組織由于初生α相的粗化，使得沖擊試驗過程中相對于雙重退火可以吸收更多的能量。

3 結論

(1)普通退火后的組織由細小的初生α和β相組成，雙重退火和等溫退火后的組織由初生α相、β相和次生α相組成。

(2)雙重退火的室溫強度可達1148MPa，但塑性最差，普通退火可獲得較好的強度與塑性匹配，等溫退火的室溫強度最低，只有1032MPa，塑性優于雙重退火。

(3)雙重退火的400℃高溫拉伸強度科大850℃，普通退火與等溫退火的強度也都大于750MPa。

(4)普通退火后棒材的沖擊韌性最高，可達60J/cm2，等溫退火次之，雙重退火最差。