热处理对TC18钛合金大块富α相区的影响

侯智敏，赵永庆，张鹏省，毛小南，尹雁飞，李思兰

(1.西北工业大学，陕西 西安 710072)

(2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

热处理对TC18钛合金大块富α相区的影响

侯智敏1，2，赵永庆1，2，张鹏省2，毛小南2，尹雁飞2，李思兰2

(1.西北工业大学，陕西 西安 710072)

(2.西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

对含亮斑缺陷的TC18钛合金棒材试样通过EDS能谱及光学显微镜分析缺陷的相组成、尺寸及组织形貌，并利用显微硬度仪进一步分析热处理对缺陷区及正常区显微硬度的影响。EDS能谱及金相分析表明，亮斑为α相富集区，并有一定宽度的过渡区。经1 150℃×2 h/WQ均匀化热处理后，亮斑面积明显减小，亮斑区与过渡区的边界被弱化。进一步经840℃×1 h/FC至720℃×1 h/AC+590℃×4 h/AC常规热处理后，过渡区组织与正常区组织无明显差别，亮斑区α相含量比正常区域稍有增加，组织形貌均为网篮组织。硬度分析表明，1 150℃ β相区固溶+常规固溶加时效处理后缺陷区与正常区的硬度差别很小，这表明通过β相区高温固溶预处理可以改善TC18钛合金中的微观偏析。

TC18钛合金;α斑;β固溶处理

0 引言

TC18钛合金是前苏联航空材料研究院于1974年研制成功的一种高强钛合金［1－2］，牌号为 BT22，名义成分为Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe。该合金属于过渡型α+β钛合金，兼有α+β钛合金和β钛合金的性能特征，具有高强度、高韧性、高塑性、良好的淬透性和焊接性等优点［3－4］。该合金退火后的抗拉强度大于1 080 MPa，是退火状态下强度较高的钛合金，而且在强化热处理状态下其强度可高达1 280 MPa，因而在各种类型飞机机体和起落架的承力结构件上得到了广泛应用［5］，可用于制造在350～400℃下长期工作的机身、机翼受力件及紧固件，也可用于制造使用温度不超过350℃的发动机风扇盘和叶片等［6］。

由于TC18钛合金中β稳定元素含量较高，特别是含有极易偏析的Fe元素，因此在熔炼过程中易于出现偏析，导致最终的成品中出现组织不均匀现象，如β斑或大块的富α相区。本研究针对TC18钛合金φ50 mm棒材中出现大块富α相区的问题，对其进行不同温度均匀化热处理，分析热处理对富α相区面积及微观组织的影响。

1 实验

实验材料为含有亮斑缺陷的φ50 mm TC18钛合金精锻棒材，状态为热处理态，其热处理工艺为840℃×1 h/FC至720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC。合金相变点约为945℃。以缺陷区为中心，沿轴向用线切割从棒材上取φ30 mm×40 mm的试样。用箱式马弗炉按照表1中的热处理制度分别对试样进行热处理。采用OLYMPUS－PMG3金相显微镜对经不同热处理工艺处理后的合金中不同区域的组织进行观察;采用OXFord INCI能谱分析合金中不同区域合金元素的分布规律;采用MVS－1000JMT2维氏显微硬度仪分析不同区域的硬度变化。

表1 TC18钛合金棒材不同的热处理工艺Table 1 Different heat treatments of TC18 titanium alloy bars

2 结果与讨论

2.1 TC18钛合金棒材中的亮斑分析

TC18钛合金试样原始状态的低倍组织见图1。

图1 TC18钛合金棒材原始状态的低倍组织Fig.1 Macrostructures of received TC18 titanium alloy bars

从图1可以看出精锻棒材经常规热处理(即840℃×1 h/FC至720℃×1 h/AC+590℃×4 h/AC)后，其组织形貌为模糊晶，在棒材心部存在一个最大长度为2 mm的亮斑，并有直径约为4 mm的过渡区。

进一步的金相分析表明(见图2)，亮斑区为大片的块状α相，只有少量的β相分布其间(图2a)，过渡区为等轴α相和β基体，越远离亮斑区，α相含量越少(图2b、c)，正常区为由短棒状α相组成的细网篮组织(图2d)。

图2 TC18钛合金棒材原始状态的金相组织Fig.2 Metallographs of received TC18 titanium alloy bars

为了进一步确定缺陷区的相组成，对亮斑区、过渡区和正常区分别进行了EDS分析，结果见表2。

表2 TC18钛合金棒材不同区域的EDS分析结果(w/%)Table 2 The component of TC18 titanium alloy bars in different region

EDS分析结果表明，亮斑区 β稳定元素 Mo、Cr、Fe含量较少，V含量甚至为0，此外，α稳定元素Al含量也较低。与正常区相比，过渡区强β稳定元素Fe含量较少，导致α相含量较正常区有一定的增加。由于腐蚀及EDS测试精度的问题，过渡区及正常区的成分与合金化学法确定的元素含量有一定差别，但是元素分布的规律是一致的。上述分析表明，低倍组织上的大块状亮斑区为富α相区，其与正常区域之间有一定宽度的过渡区。亮斑区合金元素含量明显小于正常区。

2.2 固溶处理对TC18钛合金大块富α相的影响

对含缺陷样品分别进行900℃ ×2 h/WQ、1 150℃ ×2 h/WQ β相区均匀化热处理，热处理后的金相照片分别见图3及图4。显微组织分析表明，900℃固溶处理后富α相区依然有50%左右的等轴α相，过渡区有少量的α相。低倍组织分析表明，热处理后富α相亮斑尺寸没有明显的变化。1 150℃固溶处理后，金相组织分析表明富α相区无等轴α相，过渡区与富α相亮斑区边界明显弱化。低倍组织分析表明，富α相亮斑区尺寸有一定的减小。

图3 TC18钛合金棒材经900℃ ×2 h/WQ热处理后的金相照片Fig.3 Metallographs of TC18 titanium alloy bars after heat treated under 900℃ ×2 h/WQ

图4 TC18钛合金棒材经1 150℃ ×2 h/WQ热处理后的金相照片Fig.4 Metallographs of TC18 titanium alloy bars after heat treated under 1 150℃ ×2 h/WQ

为了进一步分析1 150℃固溶处理对合金组织的影响，对固溶处理后的样品进行840℃ ×1 h/FC至720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC常规热处理，其金相照片见图5。显微组织分析表明，过渡区组织与正常区组织无明显差别，亮斑区α相含量与正常区组织相比稍有增加，但也无明显差别，均为网篮组织。这表明1 150℃×2 h/WQ均匀化热处理可以明显改善合金的偏析。进一步的硬度分析见表3。

图5 TC18钛合金棒材经1 150℃×2 h/WQ+840℃×1 h/FC至720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC热处理后的金相照片Fig.5 Metallographs of TC18 titanium alloy bars after heat treated under 1 150℃×2 h/WQ+840℃×1 h/FC to720℃×1 h/AC+590℃×4 h/AC

表3 TC18钛合金棒材不同区域的显微硬度(MPa)Table 3 Microhardness of TC18 titanium alloy bars in different region

硬度分析表明，原始状态TC18钛合金富α相区显微硬度明显低于正常区，过渡区硬度介于两者之间。1 150℃高温均匀化热处理后再进行常规固溶+时效处理，过渡区与正常区硬度几乎相同，富α相区硬度与正常区硬度差别很小，这表明1 150℃×2 h/WQ可以明显改善合金中微观偏析引起的力学性能不均匀。由于高温固溶会引起合金晶粒长大及组织粗化，导致热处理后样品正常区硬度比原始状态样品的稍低。

上述分析表明，对于β稳定元素含量较高的钛合金，例如TC18钛合金，在锻造前对其进行1 150℃×2 h/WQ的均匀化热处理，然后再进行开坯锻造及改锻，可以改善合金中的偏析，进一步提高合金锻造过程中的变形均匀性，从而提高此类合金的成品率。

3 结论

(1)TC18钛合金试样中白色亮斑为富α相区，并且有一个直径4 mm左右的过渡区，能谱分析表明是微观偏析引起的α相富集。

(2)900℃高温固溶处理后，富α相区依然有50%的等轴α相且富α相区尺寸无明显变化。

(3)1 150℃高温固溶处理后，富α相区无明显的等轴α相且富α相区尺寸有一定的减小;进一步常规固溶加时效处理后，过渡区、正常区组织无明显的差别，富α相区α相含量稍有增加，均为网篮组织;维氏显微硬度分析表明，1 150℃高温固溶处理可以改善合金中的微观偏析。

［1］魏寿庸，祝瀑，王韦琪.Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe钛合金简介［J］.钛工业进展，1998，15(4):4－12.

［2］吴晓东，葛鹏，杨冠军，等.BT22钛合金固溶冷却过程中温降特性分析［J］.稀有金属材料与工程，2010，29(2):249－253.

［3］罗雷，毛小南，杨冠军，等.BT22钛合金简介［J］.热加工工艺，2009，38(14):14－16.

［4］张英明，段启辉，韩明臣，等.热处理对TA18钛合金丝显微组织与力学性能的影响［J］.钛工业进展，2011，28(2):23－25.

［5］于兰兰，毛小南，张鹏省，等.热处理工艺对BT22钛合金组织和性能的影响［J］.稀有金属快报，2005，24(3):21－23.

［6］毛小南，张鹏省，于兰兰，等.BT22合金的成分设计和淬透性的关系研究［J］.稀有金属快报，2006，25(6):21－26.

The Effect of Heat Treatment on Large Dimension of α-rich Region of TC18 Titanium Alloy

Hou Zhimin1，2，Zhao Yongqing1，2，Zhang Pengsheng2，Mao Xiaonan2，Yin Yanfei2，Li Silan2
(1.Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)
(2.Northwest Institute for Norferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

The bright spot of

TC18 titanium alloy bar was analyzed by energy dispersive spectrometer(EDS)and optical microscope(OM)to identify the phase composition，dimension and microstructure.Then the microhardness of the alloy in different region was analyzed by Vickers hardness tester.The EDS and OM analysis indicated that the bright spot was α-rich region，enclosed by transition region.The 1 150 ℃ ×2 h/WQ solution heat treatment could effectively reduce the size of α-region and fuzz the boundary of it.The sample was then conventionally processed by 840℃ ×1 h/FC to 720℃ ×1 h/AC+590℃ ×4 h/AC.After then，the microstructure of transition region and normal region was nearly the same，and distinction of α phase percent between the α-rich region and the normal region was only a little，all of the microstructure in different region was basketwave.Further microhardness analysis verified that there was nearly no difference between α-region and normal region.These results show that pre-heat treatment at 1 150 ℃ can effectively improve the microsegregation of TC18 titanium alloy.

TC18 titanium alloy;α-rich region;β solution treatment

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.004

2014－03－11

国家科技支撑计划项目(2007BAE07B03);陕西省重点科技创新团队计划“钛合金研发团队”(2012 KCT－23)

侯智敏(1981—)，男，高级工程师。