热处理工艺对TC18 钛合金型材组织性能的影响*

2021-10-08凤伟中冯红超谢林均成小丽刘继雄

科技创新与应用 2021年27期

凤伟中，冯红超，谢林均，徐哲，代春，成小丽，刘继雄

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

TC18 钛合金是俄罗斯全俄航空材料研究院于20 世纪60 年代开发的一种高强钛合金，对应俄罗斯牌号为BT22。名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，名义成分下的Al 当量为5.0%，Mo 当量为11.76%。该合金属于过渡型α+β 合金，具有较高的强度、良好的伸长率和断面收缩率、较高的冲击性能、淬透性能和焊接性能，主要作为结构件在航空领域得到大量应用，合金的最高长期工作温度为400℃。钛合金型材研究最早可以追溯到20 世纪50 年代，以俄罗斯和美国为代表的西方国家，在航空领域应用为主，为航空发动机、战斗机等装备研发了各类构件用型材、次承力框等钛合金型材，为钛合金型材在该领域大量应用开创了先河。经过几十年的发展，钛合金型材已经在航空航天、军用战斗机、民用客机等方面得到了大量应用，覆盖了低强、中强和高强级别，开发出了包含“T”“L”“U”“H”“Z”“Y”及“几”型等各种截面的钛合金形材。目前钛合金型材生产的主流方法为热挤压成型，然后根据实际需求通过表面精整或机加加工成最终形状。

已有的热处理工艺主要是针对自由锻造、模锻等工艺生产的TC18 钛合金，对于挤压方式生产的TC18 钛合金型材热处理制度尚未见报道。由于挤压成形的型材组织与锻造后的组织差别较大，因此本研究针对国家重点研发计划项目型材（截面尺寸见图1）性能指标要求，开展了热处理工艺对TC18 钛合金厚壁U 型材组织及性能的关系研究，为TC18 钛合金挤压型材的热处理奠定了理论基础。

图1 TC18 钛合金U 型材示意图及产品实物图

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本文以TC18 钛合金为试验材料，其主要成分满足GB/T3620.1 的要求，采用海绵钛及相应中间合金为原料压制电极，经过3 次真空自耗熔炼后，制得规格为800mm 的TC18 钛合金铸锭。然后，经过多火次锻造成210mm 挤压棒坯，通过加热在3150 卧室水压机上挤压出钛合金U 型材。通过金相法测得该合金α+β/β 相变点为875℃。

1.2 试验方法

利用电火花线切割机，在挤压后的TC18 钛合金U型材上取金相、拉伸及冲击韧性试样。试样分别采用4 种双重退火制度（见表1），在箱式电阻炉中进行热处理后，利用HF：HNO3：H2O 为1：3：10（体积比）的腐蚀剂进行腐蚀后，采用光学显微镜对试验型材的显微组织进行观察。按照GB/T228.1 标准要求，利用万能拉伸试验机测试钛合金型材室温力学性能。按照GB/T229 标准要求，利用N1500C 冲击试验机测试型材冲击韧性。

2 结果与分析

2.1 热处理对显微组织的影响

图2 为TC18 钛合金热挤压U 型材，经过β 相变点（875℃）以下不同固溶时效热处理后的显微组织。从图2（a）-（d）可以看出，该合金主要由β 单相区加工组织组成，随时效温度升高，时效后组织越来越粗化。从图2 可清楚看到合金原始的较粗大的β 晶粒，在原始的β 晶粒内存在相互交错的细针状α 相，部分α 相沿着晶界不均匀分布。

图2 TC18 钛合金U 型材经不同双重退火制度热处理后的显微组织

2.2 热处理对力学性能的影响

图3 为不同时效热处理后TC18 钛合金型材拉伸性能和冲击韧性测试结果。从图中可以看出，经过表1 所示固溶时效热处理后的钛合金型材，其力学性能实测结果大于考核指标要求的Rm≥1200MPa，Rp0.2≥1050MPa，A≥15%，αKU2≥25J/cm2。

表1 TC18 钛合金U 型材金相试样、拉伸样及冲击韧性试样的热处理制度

从图3 性能变化曲线可以看出，随时效温度上升，材料强度与冲击韧性先升高后降低，塑性有所提高，且型材强度和冲击韧性综合性能在750℃/30min+AC（空冷），585℃/6h+AC（空冷）热处理后，型材的综合性能最高，其抗拉强度1276MPa，屈服强度1187MPa，延伸率16%，冲击韧性达到33J/cm2。钛合金型材内部组织的次生α 相含量影响着材料的综合性能，通过时效将马氏体转化成细小的α 相和β 相，有利于强度的提高；而随时效温度提高，组织粗化加重，造成冲击韧性降低。