TC4钛合金在节能热处理中的组织演变分析

2014-11-25沈阳航空航天大学辽宁110136康少酺吴天宇李朝华

金属加工(热加工) 2014年2期

沈阳航空航天大学（辽宁 110136）康少酺李壮姜行吴天宇于涛李朝华

TC4钛合金的性能往往通过热处理来提高，利用最短的加热周期，获得最佳的性能。Al是钛合金中的主要合金元素，对提高钛合金的常温强度、降低密度、增加弹性模量有明显的促进作用。Al元素对钛合金而言，属于α稳定化元素。钛合金中加入适量Al元素后，可以显著提高其α/β转变温度，扩大α相区。TC4钛合金的组织变化通常可以通过热机械工艺过程来实现，Al元素在其组织演变过程中起着重要的作用。

本试验采用快速升温、缓慢冷却、不同温度下水冷的工艺热处理，对TC4钛合金显微组织、硬度变化对比分析，通过探讨Al在TC4钛合金组织演变过程中的作用，获得最佳热处理工艺参数，以便缩短生产周期，获得最佳性能，达到节能减排效果。

1.试验材料与方法

经测定本试验所用TC4钛合金中Al含量为5.7%，材料成分如表1所示。

利用电火化数控切割机床将退火后的TC4钛合金原料制备成18个10mm×10mm×10mm正方体试样。取3个试样为一组在SX-14-14电阻炉中加热保温后，以1℃/min的冷却速率进行冷却，冷却至950℃、900℃、850℃、800℃、750℃、700℃时取出水冷，试验工艺见图1。用HV－50A维式硬度分析仪测量3个试样的硬度并取平均值。经磨、抛制备成金相试样,采用腐蚀剂（HF:HNO3:H2O=1:3:5）进行腐蚀，然后用Olympus-BX51金相显微镜和FEI 扫描电镜观察试样的组织变化。试验的目的是为了更好地了解TC4钛合金不同温度水冷时的组织演变，以便制定最佳热处理工艺，缩短热处理周期，获得节能减排效果。

图1 热处理工艺曲线

表1 TC4钛合金的化学成分（质量分数）（%）

2.试验结果与分析

（1）不同温度水冷对试样硬度的影响图2为试样不同温度水冷过程中硬度变化曲线。由图2可知，试样冷却至900℃取出水冷后硬度值为209HV5，随着冷却温度的降低试样硬度增大。在800℃取出水冷后硬度达到246HV5的最高值。随着冷却温度的继续降低硬度随之降低，在700℃时硬度降低至230HV5。随着冷却温度的降低，试样在冷却过程中硬度变化趋势为先上升后下降，在冷却温度800℃取出水冷后达到峰值。

图2 硬度随冷却温度的变化

（2）冷却至不同温度下的组织变化由图2可知，试样在冷却温度降至800℃的过程中硬度值是逐渐增大的，在800℃时硬度达到最高值，当冷却温度低于800℃时硬度逐渐降低。在此期间，TC4钛合金慢速冷却至不同温度下水冷的显微组织也呈现出相应的变化规律，其中冷却至900℃、800℃、700℃温度的显微组织分别如图3～5所示。

从图3可见，冷却到900℃时原始β晶粒很少，晶界α相较多。图4为冷却到800℃的显微组织，图中出现了等轴α和转变β，晶界有细密倾向，晶粒短小且均匀。在冷却温度降至700℃时，从图5中可以看到试样组织转变为粗大的片层α相和少量β相。

图3 900℃水冷的显微组织

图4 800℃水冷的显微组织

图5 700℃水冷的显微组织

（3）Al元素在TC4钛合金相变中的作用 TC4钛合金在1000℃固溶后慢冷至不同温度水冷过程中β相向（α+β）转变，过冷度小，晶核首先在晶界形成,并长大成网状晶界α相。由于Al元素对α相的稳定作用，当冷却到900℃时主要发生晶界α层形核和析出，少量α片层开始从晶界向晶内生长，Al元素促进了晶界处α层的形核；当冷却到800℃时晶界形核的α片层向晶内生长,形成全片层组织，晶界处出现针状α；随着水冷温度降低到700℃时，α相增多并出现初生等轴α相且析出转变β相。

从图2中可知，试样硬度在800℃产生转折，在800℃以上水冷，由于α相析出，硬度随温度降低而增大，在该温度以下水冷时，由于转变β相的产生，硬度开始下降。α相粒子尺寸、形状及体积分数对合金的硬度有重要影响，Al元素作为TC4钛合金中的α相稳定元素，可强化α固溶体，在试验中合金自β相区冷却，进入两相区之后主要的相转变为β/α，α相在晶界形核,并向晶内长大。众所周知，Al的固溶强化作用非常显著，因Al元素的存在，试样在冷却过程中α相的形态等发生变化，直接影响了TC4钛合金硬度的变化。

冷却温度在900～1000℃期间，组织基本为β相，晶界中有少量α相析出，α相主要在晶界形核并逐渐向晶内长大。也就是说，TC4钛合金冷却到两相区高温阶段时主要发生晶界α层形核和析出。随着温度的下降，α相体积分数逐渐增大。已有研究表明，Al的添加会影响钛合金组织中高密度位错的分布以及位错的滑移，个别位错机制主要取决于Al在钛合金的含量。当冷却温度在800～850℃时，试样硬度最高，组织最为均匀。当温度降低800℃以下时，开始产生等轴晶组织，且析出转变β相，组织变的粗大，硬度下降。TC4钛合金由于Al元素的存在，在缓慢冷却过程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出，该两相析出后，随固溶后冷却温度的降低而长大，对TC4钛合金的硬度性能造成影响。