TC18鈦合金棒材的組織-服役性能一致性熱處理

TC18是一種高合金化的α＋β型鈦合金，具有高強度、高塑性、高韌性和良好的焊接性能等優點，因而被廣泛應用于航空航天領域[1-4]。在飛機結構件中使用TC18鈦合金代替高強鋼可減重15％~20％。國外已將其廣泛應用于制備大型起落架橫梁、機身對接框等主承力結構件[5]。我國軍用運輸機、客機、大型運輸機等多個型號機型的主承力構件已經實現TC18鈦合金的升級替代，部分機型的TC18鈦合金構件用量高達3t[6]。隨著我國軍機型號更新迭代和大型運輸機的快速發展，對高性能TC18合金的需求日益迫切。

考慮到TC18鈦合金使用場合的特殊性，主機廠對其構件組織的穩定性和性能的一致性提出較高要求，而棒材組織穩定性很大程度上決定了構件性能的一致性。目前關于TC18棒材組織的研究主要集中在顯微組織中等軸狀α相的均勻性，對于宏觀低倍的晶粒尺寸研究相對匱乏。本文針對TC18鈦合金棒材顯微組織與其服役性能的匹配關系問題，首先通過單相區熱處理工藝，獲得不同晶粒尺寸的TC18鈦合金棒材，進而探究晶粒尺寸對雙重退火后TC18鈦合金構件服役性能的影響，模擬構件的使用狀態。最終確定具有較好服役性能的TC18鈦合金棒材組織變化區間，以及對應的熱處理工藝。

1、試驗材料和熱處理工藝

1.1　試驗材料

本文試驗材料是由某公司提供的TC18鈦合金φ300mm棒材，其化學成分見表1，原始組織為等軸α＋β轉變組織，見圖1。

1.2　熱處理試驗方案

將TC18鈦合金棒材切割成φ300mm×30mm的試樣，按照單相區熱處理工藝在（Ｔβ－40）℃保溫1ｈ，之后升溫到Ｔβ＋（15，25，35）℃分別保溫0、0.5、1、2、和4ｈ，空冷。之后在TC18鈦合金棒材1／2高度處分別取中心、Ｄ／4和邊緣3個位置的試樣，進行雙重退火處理（一級退火：820~850℃保溫1~3ｈ，爐冷至740~760℃保溫1~3ｈ，空冷；二級退火：500~650℃保溫2~6ｈ，空冷）。最后，檢測雙重退火后TC18鈦合金的顯微組織形貌，并對試樣性能進行測試。晶粒尺寸統計是將試樣先用硝酸和雙氧水溶液腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察其顯微組織及晶粒大小，然后用截線法獲得熱處理后試樣的晶粒尺寸。α相的形貌通過ＺＥＩＳＳＳｉｇｍａ500掃描電鏡獲得。

2、試驗結果和討論

2.1　單相區熱處理工藝對顯微組織的影響

圖2為當單相區溫度為（Ｔβ＋15）℃時，TC18鈦合金棒材中心、Ｄ／4和邊緣處晶粒尺寸隨單相區保溫時間的變化曲線。由圖2可知，沿棒材徑向方向，距離邊緣75mm以內的區域，晶粒尺寸隨單相區保溫時間的變化規律基本一致。表現為晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而增大，當保溫時間超過2ｈ后，晶粒尺寸增長逐漸變慢。但是，當保溫時間超過2ｈ后，棒材中心附近的晶粒尺寸增大比較明顯。在等溫條件下，晶粒尺寸與保溫時間的關系可用Ｂｅｃｋ方程描述[7]：

Ｄ－Ｄ0＝ktⁿ（1）

式中：Ｄ和Ｄ0分別為保溫一定時間下的晶粒尺寸和原始晶粒尺寸，μm；ｋ為常數；ｔ為保溫時間，ｈ；ｎ為晶粒生長指數。

圖3（ａ~ｄ）為平均晶粒尺寸分別為200、250、300和430μm時，TC18鈦合金棒材的顯微組織。圖4為TC18鈦合金棒材平均晶粒尺寸隨單相區溫度和保溫時間的變化曲線。從圖4可知，當保溫時間為0.5ｈ時，單相區溫度對TC18鈦合金晶粒尺寸的影響較小。

隨著保溫時間的增加，單相區溫度對晶粒尺寸的影響逐漸增大。單相區溫度越高，晶粒尺寸增大速度越明顯。這是因為棒材中的α相含量與晶粒的長大有關，α相對晶界的移動具有阻礙作用。保溫初始階段，不同單相區溫度熱處理棒材中的α相含量差異不大，晶粒尺寸基本相同。隨著保溫時間的增加，α相含量逐漸減少，晶粒長大的阻力變小，并且溫度越高，晶粒中α相含量減少越快，晶粒長大的阻礙越小，晶粒長大越快[8-９]。

2.2　雙重退火后的組織及性能

選取單相區熱處理后200、250、300、350和430μm平均晶粒尺寸試樣，對其進行雙重退火處理，得到不同晶粒尺寸試樣退火后的性能，如圖5所示。由圖5可知，TC18鈦合金棒材的抗拉強度隨著平均晶粒尺寸的增加呈先增大再減小的趨勢，在晶粒尺寸為300μm時抗拉強度最高。斷裂韌度、斷后伸長率和斷面收縮率的變化趨勢則相反，先減小再增大，在晶粒尺寸為300μm時最低。即隨著平均晶粒尺寸的增加，抗拉強度、斷裂韌度、斷后伸長率和斷面收縮率為蹺蹺板關系[5，10]。為了使TC18鈦合金構件既有較高的抗拉強度，又具有良好的塑性和韌性，TC18鈦合金棒材的平均晶粒尺寸需控制在300~430μm范圍，其對應的單相區溫度和保溫時間分別為Ｔβ＋（25~35）℃和2~4ｈ。圖6為不同平均晶粒尺寸的TC18鈦合金棒材雙重退火后的α相形貌。可見，初生α相占比隨著平均晶粒尺寸的增大先減少后增加，相反，次生α相占比先增加后減少。因為次生α相為組織中的強化相，因此，TC18鈦合金棒材經雙重退火后其抗拉強度隨著平均晶粒尺寸的增加呈現先增大后減小的趨勢。

3、結論

1）TC18鈦合金棒材單相區熱處理后沿棒材徑向方向，距離邊緣75mm以內的區域，晶粒尺寸隨著保溫時間的增加而增大，當保溫時間超過2ｈ后，棒材中心附近的晶粒尺寸相較邊緣處增大速率急劇增加。

2）TC18鈦合金棒材經雙重退火后，其抗拉強度隨著平均晶粒尺寸的增加呈現先增大再減小的趨勢，在晶粒尺寸為300μm時抗拉強度最高，而斷裂韌度、斷后伸長率和斷面收縮率的變化趨勢則相反。

3）為使TC18鈦合金構件既有較高的抗拉強度，又具有良好的塑性和韌性，TC18鈦合金棒材的晶粒尺寸需要控制在300~430μm范圍，其對應的單相區溫度和保溫時間分別為Ｔβ＋（25~35）℃和2~4ｈ。

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