锻造和热处理工艺对航空船舶用TC4钛合金显微组织和冲击韧度的影响

引言

TC4(Ti-6Al-4V)合金属于α＋β型钛合金，比强度高、耐蚀性好，被广泛应用于航空、航天及船舶制造等领域[1-2]。不同工艺锻造或热处理的TC4钛合金α和β相的数量、比例、形态和性能均有较大差异[3-4]。锻造的TC4钛合金叶片需进行热处理以获得所需的组织和性能。为确保力学性能符合要求，可通过热处理控制α相的含量、尺寸和形态[5]。王晓燕等[6]通过热处理来控制钛合金中初生和次生α相的含量，改善材料的力学性能。冲击性能是TC4钛合金锻件的重要质量指标，但对α相的含量及形态对钛合金冲击韧度的影响的研究较少。本文研究了锻造温度、锻后冷却速率和热处理工艺对TC4钛合金显微组织和冲击韧度的影响。

1、试验材料和方法

试验用TC4钛合金采用真空自耗电弧炉熔炼，并锻造成φ120mm棒材，化学成分如表1所示。

从棒材的1/2半径处取样制备夏比U型缺口冲击试样，尺寸为58mm×58mm×11mm，按表2工艺进行热处理。按GB/T 229进行冲击试验。按GB/T 5168采用LEICA-DMTRM图像分析仪对冲击试样进行金相检验，试样用10ml氢氟酸＋25ml硝酸＋65ml水的混合液浸蚀，采用平均值测量法评定初生α相晶粒度。

随后研究了锻造温度、锻后冷却方式对合金显微组织的影响。叶片坯料的制作工序为:下料→制坯→锻造→热处理→检测。表3为锻造工艺，5组试验叶片的热处理工艺均为７00℃保温2ｈ空冷。从叶片锻件根部取样进行横向金相检验。图1为TC4合金叶片锻件的外形。

2、试验结果与分析

2.1热处理工艺对冲击性能和显微组织的影响

2.1.1冲击性能

图2为经不同工艺热处理的TC4合金的室温冲击性能。800℃炉冷的合金冲击性能较好，比800℃空冷的合金提高了约10％。７00℃空冷的合金冲击性能无明显变化。固溶处理随后７50℃时效的合金冲击性能较好，与７00℃时效的合金相比冲击性能提高了约12％。

TC4钛合金的冲击韧度与其抗临界裂纹形成和抗裂纹扩展性能有关。TC4合金固溶处理前组织为典型的α＋β相，冷变形性能和耐磨性较差，对其进行固溶处理是为了获得稳定的等轴α相或弥散的马氏体α′相和亚稳定β相。退火后冷却越快，α′相越多。α′相含有大量位错，冲击韧度较差。退火炉冷时，β相中次生α相明显变宽，炉冷产生的次生α相是韧性相。在退火炉冷形成的组织中，裂纹扩展至次生α相时将改变方向，从而提高材料韧性，因此退火炉冷的合金冲击韧度最高。

2.1.2显微组织

图3为经不同工艺热处理的TC4合金中初生α相的含量和尺寸。由图3可知，随着退火温度的升高，合金中初生α相含量没有变化，其平均直径略有增大，与炉冷的合金相比，800℃空冷的合金初生α相晶粒较粗大。时效温度从７00℃提高至７50℃，合金中初生α相含量提高了约21％，平均直径降低了6％。固溶和时效处理的合金显微组织中初生α相含量及平均直径远小于退火处理的合金。

图4为经不同热处理工艺处理的TC4合金的显微组织。普通工艺退火的TC4合金显微组织为球状α相＋细小次生α′相＋晶间β相；固溶和时效处理的合金则为球状α＋细条状α相＋固β相。固溶处理形成的亚稳定α相在热力学上是不稳定的，时效加热时将发生分解，分解产物为平衡态α＋β。从图4可以看出，退火态合金中初生α相含量较多，晶粒较粗大，且等轴化程度优于固溶＋时效处理的合金。随着时效温度的升高，组织粗化，析出的α相含量增多尺寸增大。

2.2锻造工艺对合金显微组织的影响

图5为不同温度锻造随后退火的TC4合金叶片的显微组织，为典型的双相组织。不同温度锻造的TC4合金叶片初生α相含量及其平均直径如图6所示。这些结果表明，随着锻造温度的升高，叶片中初生α相含量减少、其晶粒尺寸减少。这是因为958℃已接近TC4钛合金的相变温度，大部分初生等轴α相已转变为β相。

图７为938℃锻造随后退火的TC4合金叶片的显微组织，也是典型的双相组织。锻后以不同方式冷却的叶片中初生α相含量及其平均直径如图8所示。这些结果表明，随着锻后冷却速度的提高，叶片中初生α相平均直径减小，水冷的叶片初生α相尺寸明显小于风冷和空冷的叶片，且水冷的叶片初生α相被明显拉长，说明锻后冷却速度对叶片初生α相的形态有较大影响，而对初生α相含量的影响不明显。这是由于初生α相含量主要受温度的影响。

3、结论

(1)退火后炉冷的TC4合金冲击韧度最好，初生α相含量最多、尺寸最大。

(2)随着退火温度的升高，合金中初生α相含量没有变化，平均直径略有增大；800℃退火炉冷的合金初生α相晶粒较粗大；时效温度从７00℃提高至７50℃，合金中初生α相含量提高了约21％，平均直径降低了6％；固溶和时效处理的合金中初生α相含量及平均直径远小于退火的合金。

(3)随着锻造温度的升高，合金中初生α相含量减少，α相晶粒变细。

(4)随着锻造后冷却速率的提高，合金中初生α相平均直径减小，锻后水冷的合金初生α相晶粒明显小于风冷和空冷的合金，且水冷的合金初生α相明显拉长。

参考文献

[1]胡清熊.钛的应用及前景展望[Ｊ].钛工业进展，2003，20(4):11-15.

[2]李梁，孙建科，孟祥军.钛合金的应用现状及发展展望[Ｊ].钛合金工业进展，2004，21(5):19-24.

[3]王金友，葛志明，周彦邦，等.航空用钛合金[Ｍ].上海:上海科学技术出版社，1985.

[4]陈慧琴，林好转，郭灵，等.钛合金热变形机制及微观组织演变规律的研究进展[Ｊ].材料工程，200７(1):60-64.

[5]刘婉颖，朱毅科，林元华，等.热处理对TC4钛合金显微组织和力学性的影响[Ｊ].材料导报，2013，2７(9):108-111.

[6]王晓燕，刘建荣，雷家峰灵，等.初生及次生α相对Ti-1023合金拉伸性能和断裂韧性的影响[Ｊ].金属学报，200７，43(11):1129-113７.

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