固溶温度和二次固溶对TA19钛合金显微组织的影响

和 磊，韩何岩

(陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西 咸阳 713801)

由于钛合金具有较高的淬透性和比强度、优异的冷热成形性能以及良好的可焊接性，可以通过不同的热处理方法获得不同的强韧性匹配，目前已广泛应用于航空、航天、核电、船舶等领域[1-2]。随着航空技术的不断发展，高温钛合金的开发越来越受到研究者的重视。目前，高温钛合金主要基于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金进行成分调配获得不同的力学性能，美国在该合金系的基础上开发了Ti-6242S和Ti-1100，英国添加Nb、C 元素开发了IMI834，俄罗斯添加W元素开发了BT25Y和BT36，中国通过添加合金元素Nb开发了Ti60[3-4]，以上钛合金的使用温度均达到600 ℃且性能优良。

TA19钛合金是基于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金研制的一种近α型高温钛合金[5-6]，对应的国外合金牌号为Ti6242S[7-9]，名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si。该合金强度高、韧性高、抗蠕变性能良好，使用温度可达550 ℃，主要应用于航空发动机的整体叶盘、叶片和机匣[10-11]，在军用和民用航空发动机上被广泛应用。钛合金的显微组织对力学性能具有重要影响，可以通过不同的热处理制度调节α相含量、尺寸以及初生α相与次生α相的比例，改善钛合金的力学性能[12-13]。国内外学者就热处理制度与钛合金显微组织匹配关系进行了大量研究。

本试验以TA19某盘类钛合金锻件为研究对象，对不同固溶温度以及二次固溶对TA19合金显微组织的影响进行了研究，以观察在不同固溶温度下和二次固溶后该合金显微组织的相组成、相比例和形貌，为TA19钛合金锻件在生产中的热处理参数制定提供理论和实践经验。

1 试验材料与方法

试验采用某原材料厂制造的TA19钛合金铸锭，该铸锭经3次真空自耗电弧(VAR)熔炼，在β相变点上进行开坯，并经α+β两相区多火次锻造，最终制成规格为φ230 mm的棒材，其化学成分见表1，采用淬火金相法测得其相变温度为1010 ℃。

该棒材经α+β两相区预锻和模锻成TA19钛合金盘锻件，锻件的有效厚度为100 mm左右，锻态显微组织如图1所示。可以看出，该合金锻态显微组织为双态组织，初生α相含量在55%左右，初生α相形貌多为等轴状，少量为短棒状，尺寸为4～30 μm。

图1 锻件显微组织Fig.1 Microstructure of forging

在锻件上切取2个尺寸大小为20 mm×20 mm×20 mm试样，分别在995 ℃和975 ℃固溶温度下保温1 h后空冷，研究固溶温度对TA19钛合金显微组织的影响。再分别对试样进行二次固溶，固溶制度为975 ℃×1 h，采用水冷的方式，尽可能保留该合金的高温组织形态，研究二次固溶对TA19钛合金显微组织的影响。具体的试验方案见表2。

采用奥林巴斯GX71金相显微镜对钛合金显微组织进行观察，腐蚀剂为HF：HNO3：H2O=1:2:50，腐蚀时间为10s，腐蚀温度为室温。

表2 热处理试验方案Table 2 Heat treatment test scheme

2 结果与分析

2.1 固溶温度对合金显微组织的影响

不同固溶温度下TA19钛合金的显微组织如图2所示。与图1锻态的显微组织相比，固溶处理后合金的显微组织形貌和初生α相含量变化较大。经975 ℃(Tβ-35 ℃)固溶处理后，锻态显微组织中的短棒状α相发生了溶解，初生α相的含量明显降低，尺寸略有增加；而经995 ℃(Tβ-15 ℃)固溶处理后，锻态显微组织中的初生等轴α相大部分发生了溶解，且尺寸略有减小。

经固溶空冷后，合金的显微组织呈双态组织，由初生的等轴α相以及固溶空冷过程中析出的次生片状α相和β基体组成。当固溶温度为975 ℃(Tβ-35 ℃)时，初生α相含量为35%左右，初生α相尺寸为10～40 μm，β晶粒尺寸为30～35 μm。当固溶温度为995 ℃(Tβ-15 ℃)时，初生α相含量为10%左右，初生α相尺寸为10～30 μm，晶界α相明显析出，勾勒出了β晶粒的轮廓，初生α相沿β相晶界分布，β晶粒长大，尺寸为60～70 μm。固溶温度从975 ℃提高到995 ℃时，次生片状α相变长、变宽，且β晶粒长大。

可见，固溶温度对TA19钛合金显微组织中的初生等轴α相含量和β晶粒尺寸影响较大。当固溶温度提高时，初生等轴α相含量显著减少，尺寸也略有减少，原始β晶粒长大，次生片状α相变长、变宽。

(a)975 ℃×1 h；(b)995 ℃×1 h图2 不同固溶温度下合金的显微组织Fig.2 Microstructure of the alloy under different solid solution temperatures

2.2 二次固溶对合金显微组织的影响

二次固溶后合金的显微组织如图3所示，二次固溶与首次固溶温度相同时，合金中的初生等轴α相尺寸和含量基本不变，但边缘更加圆滑，等轴α相分布更加弥散，晶界α相变化不明显。合金中首次固溶空冷时析出的次生片状α相完全回溶进入β基体，且由于冷却速度快，次生片状α相来不及析出，发生了钛合金马氏体相变[14]，β相转变成钛合金马氏体α′，组织为初生等轴α相+过饱和固溶体α′。见图3(a)。

二次固溶温度低于首次固溶温度时，合金中的初生等轴α相含量和尺寸也基本不变，晶界α相明显变宽。首次固溶空冷时析出的次生片状α相部分回溶进入β基体，由于冷却速度快，次生片状α相来不及析出，β相转变成钛合金马氏体α′。次生片状α相的析出和回溶具有可逆性，首次固溶冷却过程中在高于二次固溶温度时析出的次生片状α相，未达到回溶温度，因此保留了下来，并且在二次固溶时长大变宽，组织呈三态组织，即等轴α相+次生条状α相+过饱和固溶体α′。见图3(b)。

(a)975 ℃×1 h+975 ℃×1 h；(b) 995 ℃×1 h+975 ℃×1 h图3 二次固溶后合金的显微组织Fig.3 Microstructure of alloy after secondary solution

可见，采用不高于首次固溶的温度对TA19钛合金进行二次固溶时，对合金显微组织中初生等轴α相含量及形貌几乎无影响；当二次固溶温度与首次固溶温度相同时，首次固溶冷却过程中析出的次生片状α相完全回溶；当二次固溶温度低于首次固溶温度时，合金显微组织中的次生片状α相尺寸和晶界α相尺寸变化较大，部分首次固溶冷却过程中析出的次生片状α相发生了回溶，而未回溶的次生片状α相在二次固溶时长大，晶界α相变宽。

3 结论

1)固溶温度对TA19钛合金显微组织中的初生等轴α相含量和β晶粒尺寸影响较大，升高固溶温度时，初生等轴α相含量显著减少，原始β晶粒尺寸变大，次生片状α相变长、变宽，而对初生等轴α相的尺寸影响较小；

2)当二次固溶温度不高于首次固溶温度时，对合金显微组织中的初生等轴α相含量及形貌几乎无影响；

3)当二次固溶温度与首次固溶温度相同时，首次固溶冷却过程中析出的次生片状α相完全回溶进β基体；

4)当二次固溶温度低于首次固溶温度时，首次固溶冷却过程中析出的部分次生片状α相回溶进β基体，而未回溶的次生片状α相在二次固溶时长大、变宽，晶界α相变宽。