雙重退火制度對TC21 鈦合金斷裂韌性的影響

史春玲，王浩軍，石曉輝，曾衛(wèi)東

(1. 中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

(2. 西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

1 前 言

隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，損傷容限型鈦合金得到了更加廣泛的關(guān)注［1］。TC21 鈦合金是我國研制的一種新型損傷容限型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0. 1Si。它具有高強(qiáng)度(1 100 MPa)、高斷裂韌性(70 MPa·m1/2)和較低的裂紋擴(kuò)展速率等特點(diǎn)［2］，可作為重要的結(jié)構(gòu)鈦合金在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。其綜合力學(xué)性能可與美國的Ti-6-22-22S 合金相媲美［3］。

斷裂韌性是材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，是材料損傷容限性能的重要參數(shù)，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。對于一種給定的合金，研究不同的熱處理制度對其斷裂韌性的影響規(guī)律已經(jīng)變得刻不容緩。前人主要研究了TC21 鈦合金的相變行為、組織演變及變形行為［4-7］，但是就雙重退火工藝對TC21 鈦合金斷裂韌性［8］影響的研究鮮有報(bào)道。本研究對此進(jìn)行初步探討，以期為后人提供參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用原材料為148 廠提供的TC21 鈦合金準(zhǔn)β鍛件，原材料的相變點(diǎn)經(jīng)測定為963 ℃。鍛后的材料被切割成4 份，分別進(jìn)行如下4 種雙重退火處理:

A 890 ℃×2 h/AC+500 ℃×4 h/AC;

B 890 ℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC;

C 950 ℃×2 h/AC+500 ℃×4 h/AC;

D 950 ℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC。

雙重退火后的TC21 鈦合金試樣均放進(jìn)氬氣中冷卻，冷卻氣壓為0.1 MPa。TC21 鈦合金雙重退火處理完成后，按照國標(biāo)GB/T 4161—1984 從4 塊試料上分別取樣并進(jìn)行平面應(yīng)變斷裂韌性測試，所取試樣均為T-L 向標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣。為了保證所得斷裂韌性數(shù)據(jù)的有效性，每組工藝下取3 個(gè)試樣進(jìn)行測試。室溫拉伸性能按照國標(biāo)GB/T 228—2002 進(jìn)行取樣和測試，取樣方向?yàn)長 向，每組工藝下也取3個(gè)試樣。文中所用斷裂韌性及拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為平均值。從4 種工藝試料中隨機(jī)取φ5 mm ×10 mm 的小圓柱，經(jīng)過粗磨、細(xì)磨和粗拋、細(xì)拋制成金相試樣，隨后用HF、HNO3、H2O 體積比為1∶3∶7的腐蝕劑腐蝕，在OLYMPUS PMG3 金相顯微鏡下選區(qū)拍照。用數(shù)碼相機(jī)拍攝4 種工藝下拉斷后斷裂韌性試樣的宏觀斷口照片，并且在JEOL JSM-6390A 型掃描電鏡下拍攝4 種工藝下斷裂韌性試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 雙重退火對TC21 鈦合金顯微組織的影響

圖1 為TC21 鈦合金在4 種雙重退火工藝條件下的顯微組織。在第一次退火溫度為890 ℃、第二次退火溫度分別為500 ℃和590 ℃的工藝條件下，雙重退火試樣的顯微組織相似，差別在于第二次退火溫度為500 ℃的試樣原始β 晶界不明顯，次生α 相較細(xì)長，見圖1a 和圖1b。這是由于第二次退火溫度較低時(shí)，不能提供次生相生長所需的能量。在第一次退火溫度為950 ℃、第二次退火溫度為500 ℃的工藝條件下，試樣組織包含較細(xì)的次生α 相(粗約1～2 μm)及少量塊狀α 相，還可看到被破碎的原始β晶界。第一次退火溫度也為950 ℃，而第二次退火溫度為590 ℃工藝條件下，試樣組織由大量粗大的次生α 相(粗約2 ～4 μm)、晶界破碎的α 相及少量塊狀α 相［9-10］組成，見圖1c 和圖1d。

圖1 4 種雙重退火工藝條件下TC21 鈦合金的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallograghs of TC21 alloy under different duplex annealing heat treatments

總的來說，第一次退火溫度相同的情況下，隨著第二次退火溫度升高，次生α 相長大變粗;而在第二次退火溫度相同的情況下，第一次退火溫度對次生相寬度影響較小。

3.2 雙重退火對TC21 鈦合金力學(xué)性能的影響

表1 為4 種工藝下TC21 鈦合金室溫?cái)嗔秧g性及縱向拉伸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，4 種退火制度下TC21 鈦合金試樣斷裂韌性均在100 MPa·m1/2以上。第一次退火溫度相同的情況下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金斷裂韌性略有升高;而第二次退火溫度相同的情況下，第一次退火溫度對TC21 鈦合金斷裂韌性影響較小。其中，在D 工藝條件下熱處理的TC21 鈦合金斷裂韌性最高，可達(dá)109.7 MPa·m1/2。

表1 TC21 鈦合金室溫?cái)嗔秧g性及拉伸性能Table 1 The fracture toughness and tensile properties of TC21 alloy

比較表1 所示的TC21 鈦合金在4 種雙重退火工藝條件下的縱向室溫拉伸性能可以看出，在第一次退火溫度相同的條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金強(qiáng)度降低，塑性無明顯變化。這是由于較高的第二次退火溫度使次生相長大，從而降低了第二相的強(qiáng)化作用［11］。而在第二次退火溫度相同的條件下，隨著第一次退火溫度的升高，TC21 鈦合金強(qiáng)度升高，塑性降低，這是由于較高的第一次退火溫度可使TC21 鈦合金在第一次退火后組織中保留更多的β 相，進(jìn)而促使組織在第二次退火后能析出更多的次生α 相，提高強(qiáng)化效果。

3.3 雙重退火對TC21 鈦合金斷裂韌性斷口試樣形貌的影響

圖2 為數(shù)碼相機(jī)拍攝的4 種熱處理工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣宏觀斷口照片。比較圖2中4 種工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)宏觀斷口可以發(fā)現(xiàn)，在第一次退火溫度為890℃的條件下，第二次退火溫度為500 ℃的試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)斷口較590 ℃的更為崎嶇。這是由于第二次退火溫度為500 ℃的試樣，條狀組織α 相細(xì)且長，細(xì)片層組織的片層較細(xì)且取向任意，不斷改變裂紋走向，增加了裂紋擴(kuò)展的曲折性［12-13］。在第一次退火溫度為950 ℃的條件下，第二次退火溫度為590℃的試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)斷口較500 ℃的更為崎嶇。這是由于第二次退火為590 ℃試樣條狀α 相粗且長，較α 相細(xì)短的500 ℃試樣更能增加裂紋偏轉(zhuǎn)路徑。

圖2 4 種雙重退火工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣的宏觀斷口照片F(xiàn)ig.2 Macrographs of fracture toughness fractography under different duplex annealing heat treatments

圖3 為4 種熱處理工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)斷口形貌的SEM 照片。在第一次退火溫度為890 ℃的條件下，對比圖3a 和圖3b可以發(fā)現(xiàn)，第二次退火溫度為500 ℃和590 ℃的TC21 鈦合金斷裂韌性試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)斷口均為準(zhǔn)解理斷裂。但是相比第二次退火溫度為590 ℃的斷口，500 ℃試樣的斷口高差小，韌窩較淺，且解理斷裂占據(jù)更大部分。在第一退火溫度為950 ℃的條件下，對比圖3c 和圖3d 可以發(fā)現(xiàn)，第二次退火溫度為590℃的試樣斷口高差大，韌窩深，且韌性斷裂占據(jù)更大部分。

圖3 4 種雙重退火工藝條件下TC21 鈦合金斷裂韌性試樣斷口形貌的SEM 照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of fracture toughness fractography under different duplex annealing heat treatments

對比TC21 鈦合金斷裂韌性試樣宏觀斷口和微觀斷口，可以發(fā)現(xiàn)第一次退火溫度的影響都不明顯。

4 分析與討論

裂紋擴(kuò)展路徑和塑性是影響金屬材料斷裂韌性的兩個(gè)主要因素，一般情況下裂紋擴(kuò)展路徑越復(fù)雜，材料的塑性越好，那么斷裂韌性就越高。這是由于復(fù)雜的裂紋擴(kuò)展路徑能使裂紋在擴(kuò)展中不斷地轉(zhuǎn)向，從而使裂紋在擴(kuò)展中消耗更多的裂紋擴(kuò)展功。金屬材料的塑性越好，在裂紋尖端處越容易發(fā)生塑性變形，那么裂紋擴(kuò)展就需要克服塑性變形功(Wp)［14］，而Wp的數(shù)值往往比表面能大幾個(gè)數(shù)量級，是裂紋擴(kuò)展需要克服的主要阻力。

在第一次退火溫度為890 ℃的條件下，第二次退火溫度為500 ℃的TC21 鈦合金斷裂韌性試樣具有較復(fù)雜的裂紋擴(kuò)展路徑，但塑性低于590 ℃的試樣。590 ℃試樣的裂紋擴(kuò)展需要克服更大的塑性變形功，斷裂韌性也就略高。在第一次退火溫度為950 ℃的條件下，由于第二次退火溫度為590 ℃的試樣相較于500 ℃的試樣具有更加復(fù)雜的裂紋擴(kuò)展路徑和較高的塑性，裂紋擴(kuò)展更加不容易，因此具有較高的斷裂韌性。

斷裂韌性代表裂紋在失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)吸收能量的能力。由于890 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 和950℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC 兩種工藝條件下TC21鈦合金斷裂韌性試樣失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)斷口高差大，韌窩深，且韌性斷裂占據(jù)更大部分，更能阻止裂紋擴(kuò)展，因此應(yīng)具有較高的斷裂韌性，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。崎嶇的裂紋擴(kuò)展路徑和較好的塑性使得經(jīng)950 ℃×2 h/AC+590 ℃×4 h/AC 雙重退火的TC21 鈦合金具有最高的斷裂韌性，可達(dá)109.7 MPa·m1/2。

5 結(jié) 論

(1)在第一次退火溫度相同的條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金次生α 相長大變粗;而在第二次退火溫度相同的條件下，第一次退火溫度對TC21 鈦合金次生相厚度影響較小。

(2)在第一次退火溫度相同條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金強(qiáng)度降低，塑性無明顯變化;而在第二次退火溫度相同的條件下，隨著第一次退火溫度的升高，TC21 鈦合金強(qiáng)度升高，塑性降低。

(3)4 種雙重退火制度下，TC21 鈦合金斷裂韌性均在100 MPa·m1/2以上。第一次退火溫度相同的條件下，隨著第二次退火溫度升高，TC21 鈦合金斷裂韌性略有升高;而在第二次退火溫度相同的條件下，第一次退火溫度對TC21 鈦合金斷裂韌性影響很小。

(4)經(jīng)890 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 和950 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 兩種工藝熱處理的TC21 鈦合金失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)斷口高差大，韌窩深，更能阻止裂紋擴(kuò)展。崎嶇的裂紋擴(kuò)展路徑和較好的塑性使得經(jīng)950 ℃×2 h/AC +590 ℃×4 h/AC 雙重退火的TC21 鈦合金具有最高的斷裂韌性，可達(dá)109.7 MPa·m1/2。

［1］曹春曉. 選材判據(jù)的變化與高損傷容限鈦合金的發(fā)展［J］. 金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊1):4 -11.

［2］馮亮，曲恒磊，趙永慶，等. TC21 合金的高溫變形行為［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2004，24(4):11 -13.

［3］趙永慶，曲恒磊，馮亮，等. 高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金TC21 研制［J］. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，21(1):22 -24.

［4］王義紅，寇宏超，朱知壽，等. 冷卻速率對TC21 合金相變行為的影響［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2010，30(1):6-9.

［5］王義紅，寇宏超，朱知壽，等. TC21 合金時(shí)效過程中的相變研究［J］. 材料熱處理技術(shù)，2010，39(4):132-135.

［6］黨薇，薛祥義，寇宏超，等. TC21 鈦合金慢速冷卻過程中的相組成及組織演化［J］. 航空材料學(xué)報(bào)，2010，30(3):19 -23.

［7］朱知壽，王新南，顧偉，等. TC21 鈦合金高溫?zé)嶙冃涡袨檠芯浚跩］. 中國材料進(jìn)展，2009，28(2):51 -55.

［8］黨薇，薛祥義，李金山，等. TC21 合金片層組織特征對其斷裂韌性的影響［J］. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(增刊1):16 -20.

［9］雷錦文，曾衛(wèi)東，朱知壽，等. TC21 鈦合金β 鍛造大塊α 相研究［J］. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2009，30(5):14 -18.

［10］趙彥蕾，李伯龍，朱知壽，等. 熱處理溫度對TC21 鈦合金微觀組織的影響［J］. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32(1):14 -18.

［11］韓明臣，王成長，倪沛彤. 鈦合金的強(qiáng)韌化技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(6):9 -12.

［12］周義剛，曾衛(wèi)東，李曉芹，等. 鈦合金高溫形變強(qiáng)韌化機(jī)理［J］. 金屬學(xué)報(bào)，1999，35(1):45 -48.

［13］李輝，曲恒磊，趙永慶，等. 片層厚度對損傷容限型TC21 合金裂紋擴(kuò)展速率的影響［J］. 材料工程，2006，(4):21 -23.

［14］鄭修麟. 材料的力學(xué)性能［M］. 西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000:78.