航空用TC4合金组织与性能中热处理的影响机制分析

王炳坤

（西安航空职业技术学院，陕西西安710089）

钛合金具有其自身的突出特性，即强度高、耐腐蚀性良好、耐热性较高等，因此得以在航空领域、海洋工程领域等备受青睐，其产品主要是板材、型材、管材、锻件等。在天然气钻探、开采、航空航天、海洋军事等快速发展的推动下，对于具有独特优势特性的大直径钛合金管材要求越来越高，需求也越来越大[1]，所以，对钛合金的性能指标与应用领域所要求的大直径管材的相符性进行深入探究势在必行。TC4 钛合金是自主研发的损伤容限型合金，是强度适中，韧性较高的合金，也是制备大直径钛合金管材的最佳材料。而材料的断裂韧性和热处理制度、显微组织类型之间密切相关，在退火温度不断升高的影响下，断裂韧性也会逐渐增强，而且片状组织具备更突出的断裂韧性[2]。因此，基于TC4 钛合金采取不同固溶时效热处理工艺，对温度与冷却方式的不断变化与显微组织、力学性能变化之间的关系做了详细分析，以获取最优强塑比热处理工艺参数。

1 实验材料与方法

1.1 材 料

实验材料选用6mm的热轧态钛合金管，化学成分是w（Fe）＜0.25%，w（C）＜0.06%，w（H）＜0.008%，w（N）＜0.04%，w（O）＜0.065%，w（Al）=5.5%～6.2%，w（V）=3.5%～4.0%，其余则是钛。

1.2 方法与设备

因为材料尺寸有限，把热处理前后的TC4 钛合金管进行加工，变成板条状拉伸试样与10 mm×5 mm×55 mm的夏比V型冲击试样，沿着材料轧制的方向进行取样。利用电液伺服万能机进行常规力学性能检测，按照相关标准进行示波冲击试验，设备则选用冲击试验机，冲击能量则是294 J[3]。明确TC4钛合金材料β转变温度之后，实验基于相变点温度，选择五种热处理制度，具体如表1所示。试样在箱式电阻炉中，按照热处理工艺加以操作，以φ(HF)：φ(HNO3)：φ(H2O)=1：2：5腐蚀液将试样浸蚀，利用显微镜实时观测热处理前后钛合金显微组织，并采用环境扫描电子显微镜对冲击试样的断口形貌进行全程观察[4]。

表1 钛合金热处理工艺

2 实验结果

就两相钛合金而言，α相是（α+β）两相钛合金的基体相，其相关参数与两相钛合金性能息息相关，即数量、形状、大小等。在两相区，保温时间不同，以及低于相变温度的保温温度热处理的前提条件下，获取的（α+β）两相组织的关键特性为晶粒形状不规则，晶界上存在连续或不连续的α相，还存在很多微小的次生α相，晶内则存在点状、针片状、球状、短棒状的α相[5]。在温度明显超出相变温度的时候，（α+β）全部转化成β相，其中晶粒尺寸也参差不齐，形状各不一致。

而固溶时效对于α相有着直接性影响，其能够及时消除或者是减少晶界中的连续α相，促进材料抗拉强度与抗疲劳强度的增强，并进一步降低塑性[6]。另外，固溶时效处理还可以在很大程度上提高钛合金的疲劳强度，在钛合金中的β相的稳定元素不断增加，在淬火之后，处于亚稳定状态的β相数量就会随之增多，而时效强化效果也就会更加突出，此时便可以实现沉淀硬化目标。而且在β相的稳定元素温度达到标准值的时候，时效强化的效果最佳，β相元素不断增加，时效的亚稳定β相逐渐析出，而α相数量随之缩减，强化效果却呈现下降趋势，TC4 钛合金是（α+β）两相合金，利用固溶时效热处理的方式，对显微组织进行科学改善，提高力学性能，从而获得良好的综合性能。

3 结果分析与讨论

3.1 热处理在显微组织中的影响

TC4 钛合金在经过各种工艺热处理之后，其显微组织通过金相组织观察，在加热温度小于（α+β）→β相变点的时候，在固溶温度上升的影响下，获得较多等轴组织数量，而转变组织数量却相对较少，所占据的比重也非常小。在加热温度大于（α+β）→β相变点的时候，获得晶粒粗大片状组织，能够更加清晰的观察到原始的β晶粒，在晶界中也析出了显著的α相，而原始的β晶粒转换成了长条状相互交错的组织，呈现出各种位向的编织状[7]。而退火之后的钛合金显微组织中，可以看出热轧态TC4合金的退火组织，主要是通过α相和（α+β）相结合而生成的混合物。而TC4 钛合金在经过固溶时效处理之后，显微组织主要是通过α与（α+β）相融合而生成的混合物，在固溶时效温度逐渐上升的影响下，时效后组织也明显加粗，其中淬火的温度在920℃，在淬火之后α1相不仅数量变少，形状也随之变小了，在经过时效处理之后，α1相转化成了片状与层状相间的（α+β）混合物质。

在时效温度不断升高的趋势下，α1相尺寸相对较大，在经过热处理之后，α1相变化成（α+β）混合物质之后，此相尺寸和片层之间的间距也会明显增大。而典型的双态组织的热处理温度比相变点的热处理温度低，此类组织的塑性和稳定性较好，而蠕变性却相对一般[8]。与固溶组织的α相对比，在经过时效之后，α相的尺寸明显越来越大，据此可知，就α1相中析出的α相，不仅会演变成片层状，还会在原始α相的影响趋势下渐渐增大。而原始α相在全面转变成为β相之后，片层状β相和残留的α相以团束状形式进行排列，α相沿着晶界实现了均匀分布，并与团束状在β晶粒中以平行的方式进行排列，从而呈现为显著的网篮状组织。网篮状组织可以促使材料的强度和韧性都得到了显著强化，具备良好的综合性能。因为固溶温度渐渐上升，晶粒开始变大，尺寸也越来越大，呈现片状，在晶粒上出现了比较突出的α相，而且α相以层状形态在β相中进行排列与分布，其中部分残留的α相在晶界带动下，呈现不均匀分布状态，原始β相晶粒变成了长条状的交错组织，位向各不相同，从而构成网篮状的结构。而晶粒变得越来越大，呈现为片层状的组织，原始的β相晶粒变成了长条状相互交错的组织，并且呈现为位向各不相同的编织状。

3.2 热处理在力学性能中的影响

3.2.1 拉伸性能

TC4 合金在不同的热处理制度下，室温拉伸性能也明显不同[9]，具体如表2所示。从中可以看出，网篮状结构的组织屈服强度与α相和晶界β相融合而生成的组织屈服强度比较分析，其强度明显较低。造成这种现象的主要原因是铝元素和氧元素等强化元素全面集中在α相，β相向α相进一步转变，发挥了一定的强化作用，而位错运动的能力也实现了显著提高。

表2 TC4钛合金拉伸试样热处理工艺及力学性能

3.2.2 断裂韧性

TC4 合金在不同热处理制度下，经过处理之后，α相与晶界β相结合所构成的组织的断裂韧性相对偏低，但是网篮状组织的韧性则比较高。造成这种现象的主要原因是因为球状α发生断裂的当时比较特殊，其沿着等轴α/β的界面或穿过α晶粒，并提供扩展通道，裂纹通过平滑方式进一步扩展，几乎不会产生任何分歧，所以，断裂韧性则明显较低。而在网篮状组织中，裂纹是沿着α/β界面实现扩展的，而且随着片状α取向，渐渐改变扩展的方向，所以途径比较繁杂，分歧也比较多，因此断裂韧性明显较高。

3.2.3 疲劳裂纹扩展速率

裂纹的扩展是金属滑移所造成的，在网篮状结构组织中，造成裂纹路径繁杂与扩展中裂纹分歧较多的主要原因是网篮状组织的滑移特性[10]。网篮状组织中滑移难以连续进行，其中β晶界直接影响着滑移变形，而α团束领域边界也是阻碍滑移变形的重要因素。在β晶界中的α团束位向和主裂纹的扩展方向接近的时候，裂纹会沿着α团束中取向不相同的滑移面缓缓通过，以此保持裂纹的方向不会变化，如果团束的位向和主裂纹的方向不同，裂纹就会横向穿过取向相同的α片状，在滑移带迁移到另一取向团束的时候，会造成错位堵塞，导致滑移备受阻碍，扩展速率大大下降。而在α相与晶间β相相结合所组成的组织中，裂纹则是控制在α晶粒范围中滑移带开始，在α相与β相的交界位置形成裂纹。所以，裂纹扩展不需改变方向，便可以沿着α/β截面或者通过α晶粒，扩展路径通畅，分歧比较少，扩展速率较高。

4 结 论

综上所述，在固溶温度不断升高的影响下，TC4合金显微组织中的等轴α组织比例在不断缩减，β转变组织的数量则是明显增加。在两相区固溶中，固溶温度逐渐上升，则会从晶粒边界中析出α相，而且呈现团束状，在晶粒β相中以平行的状态进行排列，在时效之后，组织不均匀。而在固溶温度一致的时候，在时效温度不断上升的趋势下，α相则会渐渐集中变大，从而使得组织变粗。在固溶时效处理之后，获得片层状β相与残留的α相团束实现平行均匀分布，呈现网篮状的组织状态，能够获得最佳综合性能。另外，在固溶温度不断升高的趋势下，经过热处理，TC4合金的强度呈现先上升再下降的趋势，其中韧性和塑性则会随之渐渐降低。在固溶温度相同的时候，在时效温度逐渐升高的影响下，TC4合金的强度明显下降，塑性和韧性则是先上升再下降。另外，在固溶时效温度同时上升的时候，韧性有所下降，而抵抗裂纹扩展的能力却明显缩减，这就代表析出分布不均匀的α相，使得TC4合金的塑性与韧性大大降低，而延伸率也备受影响。