等温退火方式对TC6轧棒组织及性能的影响

2022-02-22魏文博魏高艳闫宗义李乐鑫孙虎代

世界有色金属 2022年22期

魏文博，魏高艳，闫宗义，李乐鑫，孙虎代

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

1 前言

钛合金因具有比强度高﹑耐蚀性好﹑耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个荣誉称号，首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻﹑强度大而又耐高温，特别适合于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三都用于航空航天工业，许多原来用铝合金的部件都改用钛合金。随着我国航空航天事业的迅速发展，钛合金在航空航天领域的用量将快速增长。

TC6钛合金是我国在上世纪70年代仿制的俄罗斯BT3-1合金，该合金属于Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si系，是一种良好的马氏体型α-β两相钛合金，含有α稳定元素Al﹑同晶型β稳定元素Mo和共析型β稳定元素Cr﹑Fe和Si，β稳定系数Kβ=0.6[1]。TC6合金在400℃下可以长时间工作，在450℃工作时间长达3000h，是一种成熟的﹑应用十分广泛的钛合金，该合金有良好的热强性，室温强度较高，并具有优良的加工性能，高温下塑性高。广泛应用于航空发动机等重要结构件上，如机翼叶片和航

空发动机盘等。自1979年开始，宝鸡钛业股份有限公司（原宝鸡有色金属加工厂）承担了我国首批TC6钛合金国产化研制任务，经过四十多年的发展，当前已完全具备批量化生产高品质TC6钛合金棒材的能力。

金属材料的性能主要取决于化学成分和组织，当合金成分一定时，影响组织的主要因素有熔炼﹑塑性加工及热处理[2]。由于TC6钛合金含有的合金元素种类多，非常适合采用热处理的方式改善其组织和性能，以便更好的发挥使用潜力。本文主要研究了TC6合金轧棒在等温退火过程中，不同冷却方式对其组织及性能的影响。

2 实验

2.1 实验材料

使用宝鸡钛业股份有限公司（下文简称“公司”）真空自耗电弧炉熔炼的TC6钛合金铸锭，铸锭主要成分为Al：6.0%～7.0%﹑Mo：2.0%～3.0%﹑Cr：1.0%～2.0%﹑Si：0.20%～0.30%﹑Fe：0.30%～0.60，在铸锭上取样，并采用金相法测定的合金β转变温度为977℃。铸锭经开坯﹑自由锻等工序生产至Ф150mm棒坯，Ф150mm棒坯再经公司热连轧生产线两火次轧制至Ф22mm棒材，其中第一火次在两相区加热﹑轧制至Ф73mm中间棒坯，第二火次继续在两相区加热﹑轧制。棒材轧制态为α-β两相区组织。

2.2 实验方法

在轧制后的Ф22mm棒材同一端连续取样，并采用公司实验中心高精度炉（精度±5℃）进行等温退火处理，试样等温退火方式见表1（下文简称方式1为随炉退火﹑方式2为转炉退火），两种热处理方式的温度和保温时间一致，仅第一重退火后的降温方式有所差异。退火后首先使用金相显微镜和扫描电镜对试样显微组织进行观察，随后分别按国标GB/T228.1-2010﹑GB/T4338-2006要求对试样进行加工，并检测其室温拉伸性能及400℃高温拉伸性能，试验后使用扫描电镜对试样断口形貌进行观察。

表1 TC6钛合金棒材等温退火方式

3 实验结果与分析

3.1 等温退火方式对棒材组织及性能的影响

随炉退火后，棒材为等轴α+晶间β组织，等轴α含量约80%（见图1）。转炉退火后，棒材组织为等轴α+转变β，组织均匀，等轴α含量约60%，转变β基体上含有细针状次生α（见图2）。随炉退火的棒材中，等轴α尺寸大于转炉棒材。

图1 随炉退火棒材显微组织

图2 转炉退火棒材显微组织

不同方式退火后的棒材力学性能见表2。随炉退火后，棒材的室温及400℃高温拉伸强度均低于转炉退火的棒材，但其塑性略高于转炉退火棒材。

表2 不同等温退火方式处理后的力学性能

随炉退火过程中，第一阶段保温目的是使组织发生再结晶，并获得一定数量﹑形态的初生α相；随炉冷却过程可看成平衡状态，发生β→α（α晶粒长大），无亚稳相生成；第二阶段保温目的是使合金中的亚稳定β＇充分分解（β＇→α+β），使合金的组织﹑性能更加稳定。转炉退火过程与其相似，但转炉过程是非平衡态，存在β→α＇﹑α〞及亚稳定β＇的转变过程[3]；第二阶段保温过程中除亚稳定β＇的分解，还有α＇/α〞（马氏体相）→β+针状α的分解，因此退火后β基体上存在针状α相。

转炉退火的棒材强度较高，一是因为其等轴α尺寸较小﹑晶界多，起到了细晶强化的作用；二是因为β转变组织中针状次生α交错排列，相界面能够阻碍滑移的进行，使得合金变形更为困难，因而片状β转变组织越多，强度越高，塑性越低，起到了强化作用[2]。

3.2 室温拉伸断口分析

图3﹑图4分别为上述两种方式退火后的室温拉伸试样断口形貌，两种断口在宏观上都是由剪切唇与纤维区组成，其中纤维区位于断口的中央﹑粗糙不平，它是由许多纤维状的小峰组成。在微观上，两种断口都是由一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑﹑韧窝组成。综合判断其断口形貌，两种方式退火的室温拉伸试样均为韧窝断裂，属于塑性断裂的一种。

图3 随炉退火试样室温拉伸断形貌

图4 转炉退火试样室温拉伸断口形貌

韧窝断裂一般包含三个阶段：裂纹的萌生﹑形成显微孔洞﹑裂纹的扩展聚集和最终断裂。试样在承受拉伸载荷时，当应力超过材料的屈服强度时，其发生塑性变形，产生颈缩形成三向应力状态，随着变形的增加，在三向应力状态下，沉淀相于金属界面处分离产生微孔或由滑移位错塞积产生微孔。微孔形成后通过两种方式扩展，一种为内颈缩扩展，另一种为剪切扩展，内颈缩扩展是质点大小﹑分布均匀，韧窝在多处形核起裂，以后随变形的增加，微孔壁变薄，通过撕裂方式相连；剪切扩展是材料中有较多夹杂物或细小相析出时，微孔之间可能以剪切方式相连，内颈缩与剪切扩展在同一韧窝断口上可能同时存在[4]。

进一步比较两种试样断口微观形貌，随炉退火的试样断口韧窝尺寸稍大于转炉退火的试样，这是由于两种退火方式后的材料塑性不同造成，一般而言韧窝的大小﹑深浅及数量取决于第二相粒子的大小﹑数量﹑间距及材料的塑性，如果第二相粒子较多﹑材料塑性较差，断口上形成的韧窝尺寸较小﹑较浅，反之韧窝较大较深。