不同热处理工艺对工业 TC4合金板材组织和性能的影响

王蕊宁,杨建朝,吕利强,高文柱,奚正平,谢英杰,高维娜

(1.西部金属材料股份有限公司板带项目部,陕西 西安 710065) (2.西北有色金属研究院,陕西 西安 710016)

不同热处理工艺对工业 TC4合金板材组织和性能的影响

王蕊宁1,杨建朝1,吕利强1,高文柱1,奚正平2,谢英杰1,高维娜1

(1.西部金属材料股份有限公司板带项目部,陕西 西安 710065) (2.西北有色金属研究院,陕西 西安 710016)

研究了两相区普通热处理和β相区固溶 +两相区固溶双重热处理对工业 TC4合金板材组织和性能的影响。结果表明:两相区普通退火处理(分别在 700,750,800℃保温1 h,空冷)可以得到较好的综合性能,随温度升高,晶粒略有长大,强度、塑性逐渐降低;β相区固溶 +两相区固溶双重热处理 (1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h, AC)得到网篮组织,强度、塑性明显降低。

TC4板材;显微组织;力学性能

1 前 言

TC4合金性能成熟稳定,是目前应用最广泛的钛合金,大约占钛合金用量的 60%以上。但由于TC4合金变形抗力高,工业生产轧制过程中难以精确控制板材的组织、性能,因此需采用合适的热处理制度来改善加工过程中产生的不良影响[1]。目前关于 TC4合金热处理的文献大多与棒材有关[2-3],很少有板材方面的报道。本文研究了热处理制度对TC4板材组织和性能的影响规律,以便为实际生产中 TC4板材的工业化热处理提供参考。

2 实验材料及方法

实验用 TC4合金采用真空自耗电弧熔炼法制备,化学成分符合 GB/T 3620.2—2007标准要求。采用差热分析法测得合金的相变点温度为 (986±10)℃。在西部钛业板带厂2 800mm热轧机上一火轧制至26mm厚,然后取样进行力学性能试验。分别在700,750,800℃对 TC4板材进行普通退火处理,保温时间 1 h,空冷。为提高 TC4板材的断裂韧性[4-5],还进行了β相区固溶 +两相区固溶的双重热处理(1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h,AC)。用光学显微镜观察热处理后的组织,在万能拉力试验机上进行力学性能测试。

3 结果与分析

3.1 显微组织

图1为 26mm厚 TC4板材的原始轧态金相显微组织。从图1中可以看到典型的两相区加工组织——等轴α、长条α及β转变基体,其中长条α的产生与该处原始组织粗大且在轧制变形过程中未发生动态再结晶有关。

图1 TC4板材原始轧态显微组织Fig.1 Original microstructu re of TC4 plate as-rolled

图2为不同热处理后的显微组织。从图中可以看到,700℃(图2a)、750℃(图2b)热处理后的组织与轧态组织相似,而800℃(图2c)热处理后晶粒略有长大,说明在750℃以上随热处理温度升高晶粒逐渐长大。而且这 3种普通热处理制度都未能消除掉轧制过程中不均匀变形产生的长条α。经过β相区固溶处理+两相区固溶处理的双重热处理 (1 050℃×30m in, AC+720℃×2 h,AC)后,长条α消失(图2d),组织为均匀的网篮组织。这是由于从相变点以上快速冷却时,部分β相来不及转变为α相,而是转变为马氏体α相及亚稳β相,之后在两相区固溶时分解为α片层或α集束,成为网篮组织。说明在相变点以上温度进行热处理更有利于消除组织不均匀化的影响。

图2 TC4板材经不同热处理后的显微组织:(a)700℃×1 h,AC;(b)750℃×1 h,AC;(c)800℃×1 h,AC; (d)1 050℃×3m in,AC+720℃×2 h,ACFig.2 Microstructures of the TC4 plate after different heat treatment:(a)700℃×1 h,AC;(b)750℃×1 h,AC; (c)800℃×1 h,AC;(d)1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h,AC

3.2 力学性能

TC4板原始轧制态及 4种不同工艺热处理后的力学性能如表1所示。可以看到,700℃和750℃热处理后强度和塑性与轧态相比变化不大,而 800℃退火处理和β相区固溶 +两相区固溶的双重热处理(1 050℃×30m in,AC+720℃×2h,AC)后则强度和塑性都明显降低,这与其晶粒长大有关。因为常温下晶界强度高于晶内,而晶粒细小则晶界相对增加,表现为拉伸强度较高,且断裂时裂纹扩展路径较粗大晶粒组织复杂,表现为塑性增加。而网篮组织晶粒粗大晶界尤其明显,所以断裂时可能发生沿晶断裂,塑性明显降低。

表1 TC4板材经不同热处理后的室温力学性能Table1 Mechanical properties of the TC4 plate after different heat treatment

4 结 论

(1)TC4板材经过普通退火处理 (分别在 700, 750,800℃保温 1 h,空冷)后的组织为典型的两相区加工组织——等轴α等、长条α及β转变基体,但退火温度升高至800℃后晶粒略有长大。

(2)TC4板材经过双重热处理(1 050℃,30m in, AC+720℃×2 h,AC)后组织为典型的网篮组织。

(3)TC4板材经过 700℃和 750℃退火处理后得到较高的综合力学性能,而800℃退火处理和双重热处理(1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h,AC)后板材的强度和塑性都明显降低,这与其晶粒长大有关。

[1]W ood R A,Favor R J.钛合金手册[M].刘静安,吴煌良,姚毅,译.重庆:科学技术文献出版社重庆分社, 1983:55.

[2]周伟,曲恒磊,赵永庆,等.TC4DT合金不同热处理后的组织和性能 [J].金属热处理,2006,31(6):56 -57.

[3]马英杰,刘建荣,雷家峰,等.多重热处理对 TC4合金的组织和力学性能的影响 [J].材料研究学报,2008, 22(5):554-560.

[4]Filip R,Kubiak K,Ziaja W,et al.The effect of microstructure on them echanical properties of two-phase titanium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003,84:133-135.

[5]Li Shikai,Xiong Baiqing,Hui Songxiao,et al.Comparison of the fatigue and fracture of Ti-6A l-2Zr-1Mo-1V with lamellar and bimodal microstructures[J].Materials Science and Engineering A,2007,140:460-461.

Influence of Heat-Treatment on Microstructure and Mechanical Proper ties of TC 4 Plate

Wang Ruining1,Yang Jianchao1,Lü Liqiang1,Gao Wenzhu1,Xi Zhengping2,Xie Yingjie1,Gao Weina1
(1.Western Metal Material Co.,Ltd.,Xi'an 710065,China) (2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi'an 710016,China)

The influence of different heat-treatment on microstructure and mechanical properties of TC4 plate was studied.Results show that the good comprehensive properties are obtained in TC4 plate heat treated in(α+β)region,and the strength and plasticity are decreased with temperature increase;basket structure is obtained in TC4 plate double heat treated in βregion and(α+β)region,and simultaneously,the strength and plasticity are decreased obviously.

TC4 plate;microstructure;mechanical properties

2010-07-14

国家科技支撑计划项目(2007BAE07B02);陕西省重大科技创新专项资金项目(2009ZKC03-01);国家 973项目(2007CB613807)

王蕊宁 (1977-),女,博士,工程师,电话:029-86288630-8043。