等温退火对TC6合金性能和组织的影响

邓肯 李欣 杨伟 李轲

(1.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川 德阳 618000；2.四川工程职业技术学院材料工程系，四川 德阳 618000)

钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性能好、耐热性能优良等一系列特性，从而获得广泛的应用[1]。TC6合金作为能在450℃长时使用的高温钛合金，主要用来制作航空发动机的压气机盘和叶片等，是Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系钛合金，属于可热处理强化的马氏体型α+β两相合金。在TC6合金中，Al元素可以稳定、强化α相，同时降低合金密度；Mo元素是β相的稳定剂，促进塑性较好的β相在热加工过程中的形成，与Si元素同时添加，可提高合金的强度。Cr、Si和Fe元素可以形成共析体而强化α和β相，从而提高合金的强度和中温下的热强性[2]。TC6合金虽得到广泛应用，但其在长时间高温环境下工作会析出Ti3Al、TiCr2、TixSiy等脆性相，导致热稳定性下降。此外，TC6合金的带预制裂纹的冲击韧度(KCT)偏低，被认为是影响结构稳定性的因素[3]。本文针对TC6合金KCT偏低的情况，探讨了等温退火温度对TC6合金拉伸性能和KCT的影响，研究合金组织、力学性能的变化，分析温度变化对合金组织、性能的影响机理。

1 试验方法

淬火金相法测得TC6棒材β相转变温度为981℃，合金实测化学成分见表1。在∅300mm的TC6棒材D/4处取弦向试样，以保证所有试样原始组织一致，取样图见图1。将试样切取后进行热处理，热处理制度见表2。等温退火采用第一阶段保温结束后转炉至第二阶段温度炉进行保温，转炉时间为2 min，第二阶段保温结束后出炉空冷。按GB/T 228.1进行拉伸测试，按标准ГОСТ9454进行KCT试验，观察显微组织变化。

表1 TC6合金化学成分(质量分数，%)

图1 取样示意图

表2 TC6合金的热处理制度

2 结果与分析

2.1 显微组织

图2是合金未热处理的锻态组织，主要由初生α相和β转变组织构成，其中初生α含量为52.8%，尺寸为8.67 μm，是经过α+β区充分转变的等轴组织。不同的热处理制度下，合金的金相组织如图3所示，与锻态组织相比，各相的含量和形态均发生了明显的变化。第二阶段温度不变时，随着第一阶段温度的下降，初生α相含量逐渐增加，尺寸增加。在950℃时初生α相含量为14.8%，当温度降至870℃时含量增加至45.7%；尺寸则由6.41 μm增加至8.59 μm，如图4所示。

图2 合金的锻态组织

(a)方案A (b)方案B

(a)α相含量

对比方案A～方案D，第一阶段温度为950℃(方案A)的显微组织，β转变组织有明显的长条状且较宽的次生α相析出。第一阶段温度为920℃和900℃(方案B、方案C)的显微组织中，β转变组织有细小的条状次生α相、弥散α颗粒析出。第一阶段温度为870℃(方案D)的显微组织中，β转变组织几乎只有弥散α颗粒析出。可以看到随着第一阶段温度降低，弥散α颗粒析出逐渐增加，这是因为在转炉过程中(2 min相当于空冷)空冷冷却不同导致的。从950℃高温空冷时，β相不发生马氏体转变，而是按一定方位析出集束α相，并且在冷却过程中这些α条还会长大，从而形成粗α条+相间β的转变组织[4]。在900℃中温空冷的β转变组织中主要是条状的α相析出和稳定保留β相，这种β相经过第二阶段温度处理后又析出弥散状的α相。随着加热温度的下降会使保留β相增多[4]。在更低温度下空冷时，转变组织中则以保留β相为主了，此时的β相中含有较高浓度的β稳定元素，其稳定性很好，所以冷速较慢也难以促使其发生β→α的转变[4]。只有在经过一定的第二阶段温度处理后才能产生弥散状的α相析出，从而形成由少量α条+大量弥散α颗粒组成的β转变组织。

2.2 室温拉伸

第一阶段温度发生变化时，室温拉伸性能如图5所示，由图中可以看出，抗拉强度和屈服强度随着第一阶段温度的降低，而逐渐增加，而断后伸长率在第一阶段温度低于900℃时略有下降。

(a)抗拉强度Rm

当第一阶段温度不变，第二阶段温度从560℃升高到600℃时，随着温度升高，α相的聚集程度变高，抗拉强度降低，断后伸长率小幅升高，断面收缩率无明显变化，如图6所示。元素扩散加剧，可以观察到初生α相的集聚长大[5]。初生α相的等效直径由8 μm升高至8.59 μm。

(a)抗拉强度Rm

2.3 室温KCT

图7所示为不同热处理制度下，合金的KCT性能，每个温度点测试2个数值。由图中可以看出随着第一阶段温度的降低，冲击韧度呈现降低的趋势。结合金相组织，当第二阶段温度相同，第一阶段温度发生变化时，随着温度的降低，β转组织的含量降低，同时β转变组织中的α相由950℃中的长条状转变为弥散α颗粒。有研究表明：裂纹在β转变组织中的片状组织中的运动方向的改变比在球状组织中更频繁，裂纹分叉形成了次生裂纹，这些过程的结果使裂纹的总长度增加，需要对更多的金属体积塑性变形做功[6]。因此当β转变组织中的片状次生α相含量增加时，有利于KCT的提升。可以看出当第一阶段温度不变，随着第二阶段温度从560℃升高至600℃，KCT略有下降。

(a)第一阶段

3 结论

(1)在α+β区进行热处理通常不改变在α+β区变形时形成的组织特征，只有当加热到非常接近于Tβ温度时才会发生组织类型的显著变化，主要反映在球状的初生α相和β相转变组织之间相对含量的变化上，初生α相含量随着第一阶段温度的升高而减少，等效直径会减小。

(2)随着第一阶段温度的下降，初生α相含量与等效直径的增加，引起室温拉伸强度的增加。冲击韧度KCT值下降。而断后伸长率在第一阶段温度低于900℃时略有下降。

(3)随着第二阶段温度的升高，室温拉伸强度逐渐降低。