固溶溫度對TC19鈦合金組織與力學(xué)性能的影響

王亞光，張明玉，豆成斌，趙富強(qiáng)，陳興順

1.新疆湘潤新材料科技有限公司 新疆哈密 839000

2.大連交通大學(xué)連續(xù)擠壓教育部工程研究中心 遼寧大連 116028

1 序言

鈦及鈦合金具有耐低溫、耐蝕性好、比強(qiáng)度高、無磁性等眾多優(yōu)異性能，使得鈦及鈦合金在海洋工程、化學(xué)工程、醫(yī)學(xué)醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1，2]。TC19鈦合金是應(yīng)用十分廣泛的一種α+β型兩相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，故TC19鈦合金也被稱為Ti6246。該合金由美國在20世紀(jì)發(fā)明，因?yàn)樵摵辖鹬蠱o含量較高，導(dǎo)致其在高溫領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)具有較高的室溫力學(xué)性能，且熱處理的敏感性較高，因此近年來在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[3，4]。

目前，因?yàn)門C19鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，所以對其研究也十分多元化。溫杰等[5]研究了熱變形參數(shù)對Ti6246鈦合金顯微組織的影響。結(jié)果表明，合金經(jīng)不同溫度區(qū)間變形時(shí)，組織顯示出不同的熱變形敏感性；當(dāng)變形溫度位于兩相區(qū)時(shí)，變形溫度會影響組織中初生α相含量，當(dāng)變形溫度位于單相區(qū)時(shí)，變形溫度會影響組織中β晶粒尺寸；應(yīng)變速率會改變初生α相的形貌、晶界再結(jié)晶以及β晶粒的取向；增加應(yīng)變速率，合金組織會出現(xiàn)塑性流動(dòng)現(xiàn)象。趙子博等[6]研究了Ti6246合金中α相轉(zhuǎn)變織構(gòu)的形成機(jī)制。結(jié)果表明，Ti6246合金經(jīng)鍛造后會形成網(wǎng)籃組織，組織中粗大的β晶粒出現(xiàn)流動(dòng)性現(xiàn)象并被拉長；β相出現(xiàn)較強(qiáng)的絲織構(gòu)；當(dāng)β晶粒呈現(xiàn)出<110>方向時(shí)，析出的次生α相會沿著晶體c軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

雖然對TC19鈦合金熱處理的研究較為廣泛，但固溶處理仍是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的，因此，本文選擇不同固溶溫度對TC19鈦合金進(jìn)行熱處理，研究固溶溫度對TC19鈦合金組織與力學(xué)性能的影響，為TC19鈦合金的工業(yè)生產(chǎn)作出參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

選用直徑為150mm的TC19鈦合金棒材作為試驗(yàn)材料，合金鑄錠經(jīng)真空自耗熔煉爐精煉3次而制成，隨后經(jīng)自由鍛造機(jī)在單相區(qū)與兩相區(qū)多火次鍛造制成直徑為150mm的棒材，測得試驗(yàn)用TC19鈦合金棒材的化學(xué)成分為：wAl＝6.2%、wSn＝2.1%、wZr＝4.0%、wMo＝6.0%、wO＝0.13%、Ti余量。相轉(zhuǎn)變溫度測試方法使用連續(xù)升溫金相法，測得試驗(yàn)用TC19鈦合金棒材相變溫度為970～975℃，相轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 相轉(zhuǎn)變溫度測試

將TC19鈦合金棒材加工成若干份，隨后采用箱式電阻爐對切割完的合金進(jìn)行不同溫度的加熱處理，加熱溫度依據(jù)相轉(zhuǎn)變溫度，分別選取單相區(qū)與兩相區(qū)加熱，具體熱處理制度為：（930℃、950℃、970℃、990℃）×2h/WQ（WQ表示水冷），后將經(jīng)熱處理后的TC19鈦合金棒材分別進(jìn)行維氏硬度與室溫拉伸性能檢測，同時(shí)觀察不同熱處理制度下的金相組織。用于對合金進(jìn)行加熱的箱式電阻爐設(shè)備型號為SKS-M10，觀察合金金相組織的金相顯微鏡為Axiomatic型顯微鏡，維氏硬度計(jì)（HV5）型號為HVS-10Z，室溫拉伸檢測的試驗(yàn)設(shè)備為Instron電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相組織

圖2所示為經(jīng)不同固溶溫度處理后的TC19鈦合金棒材的金相組織。由圖2可知，合金經(jīng)不同固溶溫度處理后，其金相組織變化較大，其中最明顯的變化為，組織中初生α相含量隨固溶溫度升高而逐漸減少，在加熱溫度超過相變點(diǎn)后，組織中初生α相完全消失，同時(shí)組織中有大量次生α相析出。當(dāng)合金經(jīng)930℃固溶處理后，由于此時(shí)溫度處于兩相區(qū)，將有少量初生α相溶解到基體中，發(fā)生α→β相轉(zhuǎn)變，當(dāng)合金進(jìn)行水冷冷卻時(shí)，會進(jìn)行β→α相轉(zhuǎn)變，此時(shí)形成的α相為具有斜方結(jié)構(gòu)的α"相，并形成亞穩(wěn)定β相，組織中未見明顯β轉(zhuǎn)變組織[7]。當(dāng)加熱溫度達(dá)到950℃時(shí)，由于加熱溫度升高，導(dǎo)致初生α相溶解度增加，其含量減少，同時(shí)組織中析出更多次生α"相。當(dāng)加熱溫度為970℃時(shí)，此時(shí)溫度為相轉(zhuǎn)變溫度，組織中初生α相大幅度降低，僅含有少量的初生α相，并出現(xiàn)明顯的β晶粒，可見明顯的β晶界；當(dāng)加熱溫度為990℃時(shí)，此時(shí)加熱溫度位于單相區(qū)，初生α相完全消失，僅有粗大β晶粒，并析出大量次生α"相；當(dāng)加熱溫度處于兩相區(qū)時(shí)（930℃、950℃、970℃），因?yàn)槌跎料鄾]有完全溶解，在水冷處理后，存在于組織內(nèi)的α相分為兩部分：一部分是在冷卻過程中，由β→α相所形成的新α相；另一部分為未發(fā)生溶解的初生α相，當(dāng)加熱溫度處于單相區(qū)時(shí)（990℃），組織中只存在β→α相的新α相以及粗大β晶粒[8]。

圖2 經(jīng)不同固溶溫度處理后的金相組織

3.2 維氏硬度

圖3所示為經(jīng)不同固溶溫度處理后的維氏硬度值。由圖3可知，當(dāng)固溶溫度位于兩相區(qū)時(shí)，其維氏硬度隨著溫度的升高而升高，當(dāng)溫度達(dá)到相變點(diǎn)附近時(shí)，其硬度值較為平穩(wěn)，升高幅度較小。合金在經(jīng)4種固溶溫度處理后，其硬度值分別為436HV、451HV、463HV、467HV。

圖3 經(jīng)不同固溶溫度處理后的維氏硬度

當(dāng)合金經(jīng)930℃固溶處理后，其組織中初生α相含量較多，且均勻地分布在基體上，經(jīng)測得其初生α相含量為43%（見圖2a）。在硬度測試過程中，其硬度值取樣位置以初生α相和析出的次生α"相為主；當(dāng)合金經(jīng)950℃固溶處理后，其組織中初生α相為15%，說明硬度取值位置以α"相為主，因?yàn)棣?相更為細(xì)小，容易形成位錯(cuò)塞積，所以導(dǎo)致測試硬度值上升；當(dāng)固溶溫度上升到970℃時(shí)，組織中初生α相含量僅為2%，故硬度測試以α"相為主；在固溶溫度上升到990℃時(shí)，因?yàn)榻M織中初生α相完全消失，硬度值同樣以α"相為主，所以導(dǎo)致合金硬度值上升較小[9]。

3.3 拉伸性能

圖4所示為經(jīng)不同固溶溫度處理后的TC19鈦合金棒材的拉伸性能。由圖4可知，當(dāng)合金經(jīng)固溶處理的溫度不斷升高，其抗拉強(qiáng)度（Rm）隨之升高，而合金的斷后伸長率（A）與斷面收縮率（Z）隨著固溶溫度的升高而降低，與強(qiáng)度呈現(xiàn)出相反趨勢。在固溶溫度位于單相區(qū)時(shí)，合金塑性下降十分明顯，合金在經(jīng)4種固溶溫度處理后，當(dāng)固溶溫度為990℃時(shí)，合金強(qiáng)度值最大，其中抗拉強(qiáng)度（Rm）為1198MPa；當(dāng)固溶溫度為930℃時(shí)，合金塑性達(dá)到最佳，斷后伸長率（A）為11%，斷面收縮率（Z）為17%。

圖4 經(jīng)不同固溶溫度處理后的拉伸性能

當(dāng)合金經(jīng)固溶處理溫度不斷提高時(shí)，其組織中的初生α相含量逐漸減少，此時(shí)初生α相均呈現(xiàn)出等軸狀形貌。相關(guān)文獻(xiàn)指出[10]，具有等軸狀的初生α相中，包含更多可以在滑移時(shí)開動(dòng)的滑移系，當(dāng)合金發(fā)生塑性變形時(shí)，形變產(chǎn)生的滑移會在位向因子較大的等軸狀α相最先發(fā)生開動(dòng)，當(dāng)固溶溫度較低時(shí)，組織含有較多的等軸狀α相，合金在拉伸過程中所產(chǎn)生的變形，能夠以較快的速度擴(kuò)散到其余晶粒內(nèi)部，從而避免了位錯(cuò)在少量α晶粒中密集開動(dòng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂。因此，當(dāng)固溶溫度為930℃時(shí)，組織中包含較多的等軸狀α相，合金能夠發(fā)生較大的變形，使得合金塑性較好，隨著固溶溫度的逐漸增加，組織包含的等軸狀α相數(shù)量逐漸降低，使得合金強(qiáng)度升高，而塑性下降。在合金加熱溫度升高的同時(shí)，合金在進(jìn)行水冷過程中所析出的次生α"相含量增多，因?yàn)榻M織中次生α"相的含量增多，合金在發(fā)生變形時(shí)，產(chǎn)生的位錯(cuò)滑動(dòng)間距增大，同時(shí)因?yàn)橛写罅康奈诲e(cuò)位于次生α"相中，容易形成位錯(cuò)塞積，所以隨著固溶溫度升高，次生α"相含量隨之增加，合金強(qiáng)度增加[11]。另外，合金組織內(nèi)部的抗裂紋擴(kuò)展以及抗裂紋源萌生能力同時(shí)會影響合金的拉伸性能，二者因素相比較，組織內(nèi)部的抗裂紋源萌生能力對合金的拉伸性能影響更大，而影響合金的抗裂紋源萌生能力的主要因素為組織中滑移距離的大小，當(dāng)組織中次生α"相含量越多時(shí)，對位錯(cuò)的滑移距離影響也越大，所以當(dāng)固溶溫度由兩相區(qū)向單相區(qū)增加時(shí)，組織形成較多的次生α"相，合金強(qiáng)度升高。

4 結(jié)束語

1）合金經(jīng)不同固溶溫度處理后，組織中初生α相含量隨固溶溫度升高而逐漸減少，在加熱溫度超過相變點(diǎn)后，組織中初生α相完全消失，同時(shí)組織中有大量次生α"相析出。

2）當(dāng)固溶溫度位于兩相區(qū)時(shí)，其維氏硬度值隨著溫度的升高而升高，當(dāng)溫度達(dá)到相變點(diǎn)附近時(shí)，其硬度值較為平穩(wěn)，升高幅度較小。

3）當(dāng)合金經(jīng)固溶處理的溫度不斷升高，其強(qiáng)度隨之升高，而合金的塑性與強(qiáng)度呈現(xiàn)出相反趨勢。當(dāng)固溶溫度為990℃時(shí)，合金強(qiáng)度值最大，其中抗拉強(qiáng)度（Rm）為1198MPa；當(dāng)固溶溫度為930℃時(shí)，合金塑性達(dá)到最大值，斷后伸長率（A）為11%，斷面收縮率（Z）為17%。