T C 4钛合金φ450 mm棒材不同厚度整体试样热处理工艺研究

供稿|董洁, 王永梅, 张永强, , 王韦琪, 张平辉, / DONG Jie, WANG Yong-mei, ZHANG Yong-qiang, , WANG Wei-qi, ZHANG Ping-hui,

TC4钛合金是目前应用最广的一种α+β型钛合金，其用量占钛合金总消耗量的50%以上，它含有6%的α稳定元素Al及4%的β稳定元素V，具有优异的综合性能，在航空航天工业已经获得广泛应用[1]。随着航空工业的发展，为了提高结构效益、延长使用寿命，在新型飞机设计与制造中采用了许多大型整体锻件，因而提出了钛合金大规格棒材的需求，需要使用直经为450 mm的TC4大规格棒材，且要求棒材的高温强度≥615 MPa[2]。要使得TC4钛合金 φ450 mm大规格棒材整体试样热处理后的力学性能和显微组织符合GJB 1538标准φ100 mm棒材的要求，分别对整体试样厚度为80、40、20 mm进行了热处理工艺研究。

实验

实验材料

实验材料采用宝钛集团生产的TC4钛合金φ450 mm棒材。生产棒材选用的TC4铸锭，锭型φ940 mm，锭重8000 kg。铸锭经3次真空自耗电弧炉熔炼，化学成分符合GB/T 3620，α+β/β相的转变温度为990～1010℃。φ450mm棒材锻造工艺为铸锭开坯采用镦-拔工艺，开坯锻造后经过一次“高低高”锻造，而后在相变点以下30～50℃采用拔长变形，变形量大于85%，锻成φ450 mm棒材，棒材的显微组织见图1。从成品棒材上分别切厚度为80、40、20 mm的整体试样进行热处理工艺研究。

图1 φ450 mm棒材原始横向显微组织

表1 热处理工艺方案

实验方法

分别在厚度为80、40、20 mm的整体试样上按表1的4种热处理制度进行室温、高温性能和显微组织观察和分析。

实验结果

室温力学性能

分别把80、40、20 mm的整体试样，按表1的热处理制度进行整体处理，在试样的R/2处取横向样，进行室温力学性能测试，实验结果见表2。

表2 热处理制度对棒材室温力学性能的影响

由表2的结果可知：80 mm厚的整体试样，按热处理制度1和2处理后，室温强度不能满足要求；按热处理制度3处理后，室温强度基本满足要求，但毫无富余量；按热处理制度4处理后，室温强度满足要求，且一定的富余量，但伸长率有明显降低。40 mm厚的整体试样，按热处理制度1、2、3处理后，室温强度和塑性都能满足要求，且性能相差不大；按热处理制度4处理后，室温强度有大幅度的提高，且塑性值无明显降低。20 mm厚的整体试样，按热处理制度1、2、3处理后，室温强度和塑性都能满足要求，且性能相差不大；按热处理制度4处理后，室温强度有大幅度的提高，且塑性值无明显降低。

综合看来，不同厚度的试样按前3种热处理制度处理后，室温强度和塑性无明显变化；按热处理制度4处理后，室温强度提高60～100 MPa，伸长率降低3%～5%；随着整体试样厚度越来越薄，按热处理制度4处理后，强度和塑性变化越显著。

高温力学性能

分别把80、40、20 mm的整体试样，按表1的热处理制度进行整体处理，在试样的R/2处取横向样，进行400℃高温力学性能测试，实验结果见表3。

表3 热处理制度对棒材400℃高温力学性能的影响

由表3可知，80 mm试样坯按各种热处理制度处理后，高温强度都不能满足使用要求，且持久性能也没有完全达标。这是由于试样坯过厚，冷却速度慢，α相有充分的时间聚集、再结晶形成等轴α，因此高温强度不能满足使用要求。

40 mm试样坯按1，2两种热处理制度处理后，高温性能不能满足使用要求。比较3，4两种热处理制度，发现经工艺方案4固溶水冷双重退火后，高温拉伸和持久性能良好，可稳定满足指标的规定；与工艺方案3固溶后空冷的冷却方式比较，合金的高温抗拉强度可提高20～30 MPa，且高温塑性没有降低。

20 mm厚整体试样进行双重热处理后，当固溶后采用空冷时，高温强度和高温持久可满足指标，但高温强度基本无富余量；当固溶后采用水冷时，棒材高温拉伸和持久性能良好，均可稳定满足指标规定，且高温抗拉强度可提高70～100 MPa，且高温塑性没有降低。强度大幅度提高的原因是受冷却速度快的影响，产生弥散的强化相，符合强化机理[3]。

显微组织

分别把80、40、20 mm的整体试样，按表1的热处理制度进行整体处理，在试样坯的R/2处取横向高倍试样，图2～图5为4种不同热处理制度的显微组织照片。

图2 不同厚度试样坯750℃/2h.AC横向显微组织

图3 不同厚度试样坯950℃/2h.AC横向显微组织

图4 不同厚度试样坯950℃/2h.AC+750℃/2h.AC横向显微组织

由图可见，80 mm厚试样坯经前3种热处理制度处理后，棒材横截面上显微组织均匀性良好，均为等轴组织，经950℃/2h.WC +750℃ /2h.AC双重退火后，棒材横截面的组织均匀性良好，均为等轴组织，有少量弥散相。

图5 不同厚度试样坯950℃/2h.WC+750℃/2h.AC横向显微组织

40 mm厚试样坯经前3种热处理制度处理后，棒材横截面上显微组织均匀性良好，均为等轴组织，经950℃/2h.WC +750℃ /2h.AC双重退火后，棒材整个横截面的组织均匀性良好，均为等轴组织，且弥散相较多。

20 mm厚试样坯经前2种热处理制度处理后，棒材横截面上显微组织均匀性良好，均为等轴组织。试样坯经双重退火后，当固溶后采用空冷时，棒材横截面的组织均匀性良好，均为等轴组织，受冷却速度的影响，已有弥散相产生；当固溶后采用水冷时，显微组织也为等轴组织，由于冷却速度的大幅增加，弥散相没有完全分解，迅速被保留至室温，形成了次生α相较多的显微组织形貌[4]。

总体来说，按前2种制度热处理时，试样坯厚度对显微组织的影响不明显，都为均匀的等轴组织。当采用双重退火时，试样坯厚度与固溶冷却速度对显微组织形貌影响程度明显增加，试样坯厚度越薄、固溶冷却速度越快，弥散相显著增加，次生α相含量增加，初生α相含量减少。

结束语

TC4钛合金 φ450 mm大规格棒材不同厚度整体试样坯的不同热处理方案对力学性能和显微组织的影响研究表明：

（1）再结晶退火、固溶热处理和双重退火对力学性能的影响效果与试样坯厚度以及固溶冷却速度密切相关；

（2）整体试样坯厚度不小于80 mm时，无论采用何种方式进行热处理，大规格棒材的高拉强度均不能满足615 MPa的指标要求；

（3）整体试样坯厚度不大于40 mm时，热处理效果随固溶冷却速度变化明显，加快固溶冷却速度，将明显提高合金的强度；

（4）采用双重退火（固溶后水冷）是TC4钛合金φ450 mm大规格棒材室温力学性能、高温拉伸和高温持久等各项性能稳定满足要求的首选热处理方案。

[1]张喜燕，赵永庆，白晨光. 钦合金及应用. 北京:化学工业出版社，2005:21-71.

[2]Ding R, Guo Z X. Micro-structural evolution of a Ti6A14V alloy during phase processing: Experimental and simulation investigate.Material Science and Engineering A, 2003, 365(2): 172-179.

[3]李书常.热处理使用淬火介质精选.北京:化学工业出版社，2009:1-2.[4]张志强，董利民，刘羽寅，等. 大规格TC4钦合金丝材直径对固溶时效显微组织和力学性能的影响. 中国有色金属学报，2010，20（专辑1）：674-677.