热处理对Ti12LC低成本钛合金组织和性能的影响

尹雁飞，李思兰，侯智敏，张鹏省，毛小南，赵永庆

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

热处理对Ti12LC低成本钛合金组织和性能的影响

尹雁飞，李思兰，侯智敏，张鹏省，毛小南，赵永庆

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

研究了不同热处理工艺对Ti12LC低成本钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:经分段固溶处理后，Ti12LC合金组织中出现大量的板条状次生α相，同时板条状α相的含量随着第二阶段固溶温度的降低而增多，尺寸也相应增大。同时分段固溶+时效的热处理工艺可以明显改善Ti12LC合金的冲击韧性，且当板条状α相含量约为10%时强度和塑韧性的匹配最佳。冲击断口分析表明:与常规热处理工艺相比，经分段固溶+时效处理后的Ti12LC合金，其冲击断口中纤维区和剪切唇所占比例更大，韧窝尺寸更大且深度更深。

Ti12LC;热处理;显微组织;力学性能

0 引言

钛及钛合金具有比强度高、无磁性、热膨胀系数低、耐腐蚀等一系列优点，不仅被大量应用于航空航天、石油化工及海洋工程，而且作为汽车用材很早就引起人们的重视［1－3］。然而钛合金的制造成本相对于钢铁、铝合金等大量使用的传统金属材料而言要高出许多，较高的制备成本在一定程度上阻碍了其在民用领域的应用。因此如何降低钛合金材料的成本成为材料科学工作者研究的热点和重点［4－9］。目前，比较成功的降低钛合金成本的方法主要有以下3种［5］:①合金设计过程中使用廉价原材料(如Fe等合金元素)或中间合金(Fe-Mo等)来取代昂贵的金属元素或中间合金;②通过合金设计改善加工性能;③加工过程中提高材料的利用率。

Ti12LC合金是西北有色金属研究院采用廉价中间合金Fe-Mo自行研制的低成本钛合金，其性能优于常用的TC11钛合金，且生产成本较TC11钛合金可降低10%以上。但是由于缺乏系统和深入的研究，特别是关于合金强度和塑韧性匹配的研究，Ti12LC合金并没有得到广泛的应用。本研究对Ti12LC合金进行了不同工艺的固溶+时效热处理，分析热处理工艺对显微组织、力学性能和断口形貌的影响，旨在获得强度与塑性、韧性匹配的热处理工艺参数。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料为西北有色金属研究院自行研制的Ti12LC低成本钛合金。该合金铸锭经过三次真空自耗熔炼，然后开坯、热锻加工成 φ170 mm的锻坯。其锻态显微组织由初生α相、细小次生α相及β基体组成［10］。采用DSC法测得该合金的相变点为(895±5)℃。

1.2 实验方法

在锻坯1/2半径处沿纵向用线切割切取φ10 mm×10 mm、φ10 mm×70 mm和11 mm×11 mm×57 mm的试样，并对试样进行常规固溶+时效和分段固溶+时效处理，分析其对组织及力学性能的影响，具体的热处理工艺见表1。拉伸试验和冲击性能测试均采用2个平行试样，以便获得比较可靠的实验数据，所用仪器分别为 INSTRON1185和JB-300B型力学性能试验机。金相试样用配比为V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10 的金相腐蚀剂浸蚀。采用Olympus PMG3光学显微镜观察热处理后试样的显微组织，并采用JSM-6460型扫描电镜分析组织中的初生α相形貌、微区成分及冲击断口形貌。

表1 Ti12LC合金的热处理工艺Table 1 The different heat treatments of Ti12LC alloy

2 结果及分析

2.1 显微组织观察

图1为Ti12LC合金经不同工艺热处理后的金相照片。分析可知，经工艺1热处理后的组织(如图1a所示)主要由近似等轴的初生α相和β基体组成，初生α相含量约为25%，同时β基体上有隐约可见的细板条状α相。不同于工艺1，经分段固溶+时效(工艺2～4)处理后，组织中有大量的板条状次生α相析出(如图1b～d所示)，同时次生α相的含量(尺寸)随着第二阶段固溶温度的降低而增多(增大)。当第二阶段固溶温度为820℃时，板条状次生α相的含量不到5%且分布杂乱，板条的长宽比较小(如图1d所示);当第二阶段固溶温度为800℃时，板条状次生α相的含量约为10%且尺寸一致、分布均匀，长宽比适中(如图1c所示);当第二阶段固溶温度为780℃时，板条状次生α相的含量约为15%，长宽比进一步增大，同时有部分尺寸较大的板条(如图1b所示)。一定厚度的板条状α相可以使裂纹在扩展过程中发生偏转，增加裂纹的扩展路径，从而提高冲击韧性。

图1 Ti12LC合金经不同工艺热处理后的金相照片Fig.1 OM micrographs of Ti12LC samples with different heat treatments

2.2 次生α相形貌及微区成分分析

图2 不同工艺热处理的Ti12LC合金中次生α相形貌Fig.2 The secondary α phase morphology of Ti12LC alloy with different heat treatments

不同工艺(工艺1和工艺3)热处理后Ti12LC合金次生α相的形貌如图2所示。经工艺3处理后，组织中出现许多或平行或相交的板条状次生α相，厚度从0.2～1 μm不等，长度一般小于10 μm。与工艺1相比，初生等轴α相的含量略有减少，形状和尺寸基本保持不变。表2为初生α相(图2位置1)和β转变组织(图2位置2)中的各金属元素含量测试结果。由表2可知，经过分段固溶处理后，初生α相中Al元素含量略有增高，同时固溶有少量的Mo元素，其Al当量有所降低。Rhodes等认为影响Ti-6Al-4V合金冲击韧性的主要因素有初生α相形貌、合金元素分解、α/β相界的杂质元素等，冲击韧性值随着初生α相和α相中Al含量的提高而降低［11］。

表2 初生α相和β转变组织中的各元素含量(w/%)Table 2 The contents of various elements in primary α phase and transformed β phase

2.3 力学性能分析

2.3.1 热处理对Ti12LC合金力学性能的影响

表3为Ti12LC合金经不同工艺热处理后的室温拉伸性能和冲击韧性。由表3可知，分段固溶+时效的热处理工艺可以在不损失或较小损失强度和塑性的同时提高冲击韧性，改善合金强度和塑韧性的匹配。另外，随着第二阶段固溶温度的升高，冲击韧性先升高后降低。虽然板条状α相有助于改善材料的冲击韧性，但材料的强度和塑性对冲击韧性都有影响。与低温固溶相比，分段固溶处理产生的板条状次生α相可以一定程度的提高强度，但是板条状α相所占比例越高、板条尺寸越大，将会显著降低材料的塑性。同时板条状α相的数量太少、尺寸太小，也不能起到提高冲击韧性的作用。综上所述，经工艺3处理的Ti12LC钛合金，板条状次生α相含量约为10%且其尺寸一致、分布均匀，最有利于改善强度和塑性、韧性的匹配。

表3 Ti12LC合金经不同工艺热处理后的室温力学性能Table 3 Mechanical properties of Ti12LC alloy with different heat treatments

2.3.2 热处理对Ti12LC合金冲击断口的影响

图3所示为Ti12LC合金经不同工艺(工艺1和工艺3)热处理后的冲击断口形貌。对比分析图3a和3b可知，工艺1热处理后的Ti12LC合金冲击断口区域中纤维区和剪切唇所占比例较小，同时放射区具有明显的标志。对比分析图3c和图3d可知，工艺1和工艺3热处理后的Ti12LC合金均为韧性断裂，其中经工艺3处理后的Ti12LC合金断口韧窝尺寸较大且深度更深，经工艺1处理后的断口韧窝不仅尺寸小而浅，且局部位向趋于一致。随着断口上纤维区面积的减小，冲击断裂能量发生剧烈下降，所以断口上纤维区的大小可以定性地反映试样冲击韧性的好坏。同样，小的剪切唇区域、明显的放射区标志以及小而浅的韧窝也往往表明冲击韧性较差。

图3 不同工艺热处理后的Ti12LC合金冲击韧性断口形貌Fig.3 Fracture monographs features of impact toughness of Ti12LC alloy with different heat treatment processes

3 结论

(1)经分段固溶+时效处理后，Ti12LC合金组织中出现大量的板条状次生α相，同时板条状α相的含量随着第二阶段固溶温度的降低而增多，尺寸也相应增大。

(2)分段固溶+时效的热处理工艺可以明显改善Ti12LC合金的冲击韧性，且当板条状α相含量约为10%时最有利于改善强度和塑韧性的匹配。

(3)与常规热处理工艺相比，经分段固溶+时效处理后的Ti12LC合金，其冲击断口中纤维区和剪切唇所占比例更大，韧窝尺寸更大且深度更深。

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Influence of Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Ti12LC Low-cost Titanium Alloy

Yin Yanfei，Li Silan，Hou Zhimin，Zhang Pengsheng，Mao Xiaonan，Zhao Yongqing
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

The effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Ti12LC titanium alloy were studied by the methods of optical microscope(OM)and scanning electron microscope(SEM).The results indicate that the microstructure of the Ti12LC titanium alloy after two-steps solution treatment contains a large amount of lath secondary α phase，furthermore the proportion and size of lath α phase increase with the decrement of solution temperature in second step solution treatment.The two-steps solution treatment obviously improves the impact toughness，and when the proportion of lath α phase is about 10%，the mechanical properties of Ti12LC titanium alloy is optimum.The fracture SEM morphology points out that compared with the alloy after normal heat treatment，the alloy after two-steps solution treatment has larger fibrous region and shear lip along with larger and deeper dimples.

Ti12LC;heat treatment;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.004

2015－02－26

陕西省重点科技创新团队计划“钛合金研发创新团队”(2012KCT-23)

尹雁飞(1988—)，男，硕士。