TC1鈦合金寬幅薄板熱加工過程組織演變及力學性能研究

趙曉鵬，陳益哲，苗 陽，巨朝飛，孫夢桐，陳 旭

（1.寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014；2.國核寶鈦鋯業股份公司，陜西 寶雞 721013）

TC1鈦合金是一種具有良好成型性和焊接性能的α+β型合金，其名義成分為Ti-2Al-1.5Mn，其具有密度小、比強度高、熱塑性優良、耐蝕性好等有點，在400℃以下溫度使用的結構材料，常被用于制造飛機蒙皮等部件[1-5]。

隨著我國航空航天事業的發展，TC1薄板用量逐年增加；由于傳統工藝限制導致國內生產TC1鈦合金薄板板幅較窄，大多在1000mm以下[6-10]；隨著用戶制造零件尺寸增加，對寬幅TC1板材的需求更為迫切[11-15]。本文采用包覆疊軋工藝研制了寬幅TC1合金薄板，并研究了熱處理對其組織及力學性能的影響。

1 材料及方法

本試驗坯料為寶鈦集團提供的TC1鈦合金板坯，坯料的化學成分，見表1，其鍛態組織如圖1所示，可以看出板坯組織為單相區鍛造組織，粗大的β晶粒內部分布著方向各異的α集束，長條α沿晶界析出，經金相法測得其相變點為924℃。

圖1 TC1鈦合金鍛造組織

表1 TC1鈦合金化學成分

采用熱加工工藝生產3000×1500×1.5mm（寬幅板）TC1鈦合金板材：方案 1：交叉軋制；方案 2：單向軋制。軋制后經退火，剪切，校型，表面處理后得到成品板材。

成品板材頭部切取橫向試樣進行熱處理，其熱處理制度見表2，分別觀察顯微組織并檢測室溫力學性能，每種制度測試3個試樣取平均值。室溫力學性能檢測按照GB/T228.1標準在INSTRON 5885電子萬能材料拉伸試驗機上測試[16，17]；試樣經腐蝕液(5%HF+10%HNO3+85%H2O)腐蝕后，按照GB/T5168標準在AXIOVERT 200 MAT 金相顯微鏡進行顯微組織觀察[18，19]。

表2 TC1鈦合金板材熱處理制度

2 結果及分析

2.1 熱處理對TC1鈦合金寬幅薄板顯微組織影響

2.1.1 熱處理對TC1鈦合金寬幅薄板交叉軋制組織影響

圖2為方案 1工藝下生產的1.5mmTC1寬幅薄板經不同溫度退火后的橫向顯微組織，由圖（a）可以看出，合金在熱加工態時已經呈現為細小的等軸組織，主要由近75%的初生α組織和少量β轉相組成。經650℃～800℃熱處理后，可見組織未發生明顯變化，仍然為等軸加工組織，晶粒尺寸略有長大，經測定熱處理溫度區間內平均晶粒尺寸在4.0um～5.6um；熱軋制變形過程中加熱材料的保溫、變形時積攢的畸變能和高溫加熱的熱激活能使變形金屬材料一部分加工發生硬化，另一部分高溫發生回復再結晶軟化，且終軋溫度較高，熱處理對其影響不大。

圖2 不同熱處理制度下的方案1成品板材顯微組織

2.1.2 熱處理對TC1鈦合金寬幅薄板單向軋制組織影響

圖3為方案 2工藝下生產的1.5mmTC1寬幅薄板經不同溫度退火后的橫向顯微組織，由圖（a）可以看出，與方案1工藝相同，經650～800℃熱處理后可見組織未發生明顯變化，仍然為等軸加工組織，晶粒尺寸長大不明顯，經測定熱處理溫度區間內平均晶粒尺寸在3.3um～4.0um；方案2工藝下組織中可以看出黑色的條帶狀組織，TC1板材熱軋開坯過程中會產生不均勻組織，其實質是變形的針狀 α組織內部動態回復產生的亞晶粒聚合物，亞晶界本身屬于小角度晶界，而小角度晶界的界面能低，晶界移動的驅動力低，晶粒難以長大，這些回復亞晶在常規熱處理中并未發生靜態再結晶，無法消除，β 相沿著亞晶界擴散，在光學顯微鏡下呈現出了黑色的條帶狀組織。

圖3 不同熱處理制度下的方案2成品板材顯微組織

2.2 熱處理制度對TC1鈦合金寬幅薄板力學性能影響

圖4、圖5分別為方案1、方案2工藝下所得TC1寬幅薄板在650℃～800℃范圍內熱處理30min后空冷所得，可以看出兩種工藝下，該合金在650℃～800℃范圍內隨著退火溫度的升高，抗拉強度及屈服強度均有下降趨勢，延伸率隨之升高，在720℃退火時達到峰值，再往后由于再結晶后晶粒生長速率不同，出現粗大晶粒，塑性開始下降。這說明該合金適合的退火溫度范圍在700℃～750℃；對比兩種工藝可以看出方案 2工藝比方案 1工藝下合金室溫力學性能高，方案 2工藝下各制度30分鐘熱處理后抗拉強度接近GB/T3621-2007標準值要求590Mpa～735Mpa，無富余量[20]；方案 1工藝下各制度30分鐘熱處理后室溫力學性能均能滿足標準要求，富余量大。

圖4 方案1成品板材不同溫度保溫30min力學性能

由圖5、圖6分別為方案 2工藝下包覆疊軋所得TC1寬幅薄板在650℃～800℃范圍內熱處理30min、60min后空冷所得，可以看出，在相變點以下650℃～800℃范圍內退火，隨著退火時間的延長，抗拉強度及屈服強度的下降趨勢明顯增強，整體抗拉強度值仍然偏高。

圖5 方案2成品板材不同溫度保溫30min力學性能

圖6 方案2成品板材不同溫度保溫60min力學性能

3 結論

（1）TC1板材熱軋開坯過程中會產生不均勻組織，其實質是變形的片層α組織內部動態回復產生亞晶粒聚合物，這些回復亞晶在其后退火過程中并未發生靜態再結晶，β相沿著亞晶界擴散，呈現出黑色條帶狀組織。

（2）單向軋制和交叉軋制兩種工藝生產TC1寬幅薄板顯微組織均為等軸組織；交叉軋制工藝退火后板材組織更均勻，晶粒尺寸4.0um～5.6um；單向軋制工藝板材退火后組織更加細小，但存在α亞晶偏聚的未再結晶組織，晶粒尺寸3.3um～4.0um。

（3）TC1寬幅薄板在交叉軋制工藝下，熱處理制度選擇為720℃/30min時，可獲得塑性與強度的最佳匹配。