BASCA热处理对TB18钛合金显微组织和力学性能的影响

周伟，辛社伟，刘向宏，冯军，李少强，张新全，王凯旋，王涛，杨晶

(1.西北有色金属研究院，陕西西安710016)

(2.西部超导材料科技股份有限公司，陕西西安710018)

(3.中航工业第一飞机设计研究院，陕西西安710089)

钛合金具有比强度高、耐蚀性好等优点，在航空航天、汽车和船舶等领域得到广泛的应用[1-2]。与α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的比强度、良好的加工性、深淬透性以及抗裂纹扩展能力，因此β钛合金常作为结构材料替代高强钢，达到构件减重效果[3]。经过几十年的发展，β钛合金的应用已获得重大突破。TB18钛合金是近年来西部超导材料科技股份有限公司联合国内高校与科研院所针对我国航空结构件发展需求设计开发的一种新型亚稳β钛合金[4]。与BT22、Ti-1023等钛合金相比，该合金具有更好的淬透性以及更加优异的热加工性，用其制作的大规格棒材经热处理后强度超过1300 MPa时仍具有优异的韧性（KIC≥60 MPa·m1/2），特别适合用作飞机起落架、横梁等航空工业重要的承载部件。

随着航空航天飞行器向着高速化发展，不仅要求钛合金的强度水平提高，而且对钛合金的韧性也提出了更高的要求[5]，即在提高钛合金强度的同时，韧性也要保持较高的水平。与α+β热处理相比，β热处理后由于晶界的存在会阻碍位错运动，使合金强化。同时由于晶内片层组织中存在大量交错排列的片层α集束，裂纹穿过这些α集束时位向会发生改变，导致裂纹路径曲折、分支多、总长度增加，发生断裂需要更多的能量，因而合金具有更高的断裂韧性[6]。因此β热处理能够在获得较高强度的同时，使钛合金具有优异的断裂韧性，是解决钛合金强度和韧性矛盾的有效途径。β固溶缓慢冷却时效（BASCA）热处理工艺[7]是针对高强钛合金薄壁航空结构件降低损伤敏感性，使其获得高强度和高韧性的一种β热处理工艺。为此，研究了BASCA热处理对TB18钛合金显微组织和力学性能的影响，以期为制定合适的强化热处理工艺提供依据。

1 实验

实验材料为西部超导材料科技股份有限公司采用α+β相区锻造工艺生产的φ400 mm TB18钛合金棒材，金相法测得其β相转变温度为（800±5）℃。TB18钛合金棒材化学成分见表1，其组织为典型的锻态组织，有较多等轴状α相和少量短棒状α颗粒弥散分布于β转变组织中，如图1所示。

图1 锻态TB18钛合金棒材显微组织Fig.1 Microstructureof as-forged TB18 titanium alloy bar

表1 TB18钛合金棒材化学成分（w/%）Table 1 Chemical composition of TB18 titanium alloy bar

从TB18钛合金棒材上切取拉伸试样和断裂韧性试样，按图2所示工艺流程进行BASCA热处理。其中，固溶温度为870 ℃，保温2 h后采用不同冷却速度（AC和1、0.5、0.25 ℃/min）冷却至650 ℃后再空冷至室温，时效温度为530 ℃，保温4 h后空冷至室温。采用INSTRON5985万能拉伸试验机进行室温拉伸性能和平面应变断裂韧性测试。采用Olympus MG3光学显微镜（OM）和JSM-6700扫描电子显微镜（SEM）进行组织观察。

图2 BASCA热处理工艺流程图Fig.2 Flow chart of BASCA heat treatment process

2 结果与分析

2.1 显微组织

图3为TB18钛合金在870 ℃保温2 h后经不同冷却速度固溶后的显微组织。从图3可以看出，与空冷（AC）方式相比，TB18钛合金经1、0.5、0.25 ℃/min缓慢冷却处理后β晶界和晶内均有α相析出，晶内α相（αP）呈点状或短针状，晶界α相（αGB）基本呈薄膜状镶嵌在β晶界上，显微组织均表现为晶界粗化特征（图3b~d）。随着冷却速度的降低，αP相含量增加并且尺寸略有增大，晶界粗化现象也更加明显。相比于αP相的析出，缓慢冷却条件更有利于αGB相的析出，这是由于β晶界结构特殊，容易产生成分波动及杂质富集[8]，会显著降低β相的稳定性及析出相形核的势垒，使αGB相析出更加容易。

图3 TB18钛合金经不同冷却速度固溶后的显微组织Fig.3 Microstructures of TB18 titanium alloy solution treated at different cooling rates:(a) AC; (b) 1 ℃/min; (c) 0.5 ℃/min; (d) 0.25 ℃/min

为了进一步探索冷却速度对αGB相的影响，选取局部位置放大进行分析。图4为TB18钛合金经不同冷却速度固溶后αGB相的SEM照片。由图4可见，空冷后晶界上无αGB相析出，晶界狭长平直（图4a）；1 ℃/min冷却速度下可以发现αGB相以透镜状在晶界上不连续析出（图4b），具有这种特征的显微组织被称为“项链”组织[9]；随着冷却速度的进一步降低，αGB相越来越多且相互连接为一体，如图4c所示；当冷却速度降低至0.25 ℃/min时，析出的αGB相粗化并呈连续的波浪状，如图4d所示。

图4 TB18钛合金经不同冷却速度固溶后αGB相的SEM照片Fig.4 SEM microstructures of αGB phase of TB18 titanium alloy solution treated at different cooling rates:(a) AC; (b) 1 ℃/min; (c) 0.5 ℃/min; (d) 0.25 ℃/min

图5为TB18钛合金经不同冷却速度BASCA热处理后的显微组织。从图5可以看出，TB18钛合金经BASCA热处理后组织由粗大β晶粒及晶内细密次生α相（αs）丛域组成，符合钛合金魏氏组织形貌[10]。由于固溶温度相同，4组样品的β晶粒尺寸无明显差异。通过高倍SEM观察αs相形貌（图6）发现，由于空冷处理冷却时间短，产生的过冷度小，晶核在晶界形成后向晶内平行排列生长（图6a），这种魏氏组织αs片层具有单一的晶体学取向[11]。晶内形核析出的αs片层形成网篮组织形态（图6b）。缓慢冷却处理过程中由于形成了αGB相，导致晶界附近α相不均匀分布[12]，同时失去了保持单一取向继续生长的可能，因此β晶界附近析出的αs相呈针状（图6c），晶内析出的αs片层长短不一，相互之间呈网篮状编织（图6d）。

图5 TB18钛合金经不同冷却速度BASCA热处理后的显微组织Fig.5 Microstructures of TB18 titanium alloy heat treated with BASCA at different cooling rates:(a) AC; (b) 1 ℃/min; (c) 0.5 ℃/min; (d) 0.25 ℃/min

图6 TB18钛合金经不同冷却速度BASCA热处理后的SEM照片Fig.6 SEM microstructures of TB18 titanium alloy heat treated with BASCA at different cooling rates: (a,b) 870 ℃/2 h/AC+530 ℃/4 h/AC; (c,d) 870 ℃/2 h/FC (0.5 ℃/min) to 650 ℃/AC + 530 ℃/4 h/AC

2.2 力学性能

表2为经不同冷却速度固溶处理后TB18钛合金的室温拉伸性能。从表2可以看出，固溶处理后的TB18钛合金具有很好的塑性，延伸率在19.5%~23.0%之间，但是强度水平一般，抗拉强度仅在798~812 MPa范围内。这是因为TB18钛合金固溶后的组织主要由体心立方β相组成，晶内及晶界无析出或析出的α相很少，对合金几乎没有强化效应。

表2 经不同冷却速度固溶处理后TB18钛合金的室温拉伸性能Table 2 Room temperature tensile properties of TB18 titaniumalloy solution treated at different cooling rates

表3为TB18钛合金经不同冷却速度BASCA热处理后的室温力学性能。从表3可以看出，采用BASCA热处理工艺能够使TB18钛合金获得在抗拉强度接近1300 MPa的水平下，延伸率达到8%，断裂韧性超过80 MPa·m1/2的优异综合性能。时效处理对TB18钛合金具有明显的强化效果，抗拉强度从时效前的800 MPa左右提高至1263~1309 MPa。其强化原因主要是亚稳β相通过时效分解成稳定细小密集的αs相，使合金强度得到大幅提高[13]。对比表3中不同冷却速度下的力学性能还可以发现，不同冷却速度下TB18钛合金强度差异不明显，但随着冷却速度的降低，合金塑性呈下降趋势。空冷条件下TB18钛合金的延伸率为8.0%，冷却速度为1 ℃/min时延伸率为6.0%，当冷却速度为0.25 ℃/min时延伸率仅4.0%。材料塑性降低与αGB相的析出有关。缓慢冷却后晶界附近析出的αs相和晶内强化αs相之间的高应力差易导致裂纹形核，并且沿连续的αGB相增殖和开裂（见图7），使合金塑性降低。

图7 TB18钛合金经BASCA热处理后拉伸试样的断口形貌Fig.7 Fracture morphology of TB18 titanium alloy tensile specimenheat treated with BASCA at cooling rate of 0.25 ℃/min

表3 经不同冷却速度BASCA热处理后TB18钛合金的室温力学性能Table3 Room temperature mechanical properties of TB18 titanium alloy heat treated with BASCA at different cooling rates

从表3中的断裂韧性测试结果可以看出，固溶处理后空冷条件下的断裂韧性最高，KIC值为86.9 MPa·m1/2。随着冷却速率的降低，合金断裂韧性值降低，0.25 ℃/min缓慢冷却条件下，KIC值仅为57.8 MPa·m1/2，差值达到29.1 MPa·m1/2，表明TB18钛合金断裂韧性对αGB相具有较高的敏感性。图8为经不同冷却速度BASCA热处理后TB18钛合金断裂韧性试样的裂纹扩展路径。从图8可以看出，与缓慢冷却相比，空冷处理导致晶界附近形成较大的α片层集束，裂纹沿晶界扩展会发生较大的转向，裂纹的有效滑移长度增加，所消耗的能量增多，因此TB18钛合金具有较高的断裂韧性。

图8 经不同冷却速度BASCA热处理后TB18钛合金断裂韧性试样的裂纹扩展路径Fig.8 Crack propagation paths of TB18 titanium alloy fracture toughness specimens heat treated with BASCA at different cooling rates: (a) AC; (b) 0.25 ℃/min

3 结论

(1) TB18钛合金棒材在β相区固溶缓慢冷却条件下，α相在β晶界和晶内均有析出，晶内α相呈点状或者短针状，晶界α相基本呈薄膜状镶嵌在β晶界上。冷却速度对晶界α相影响较大，当冷却速度为1 ℃/min时，晶界α相以透镜状在晶界上不连续析出，形成“项链”组织。随着冷却速度的降低，析出的晶界α相越来越多且相互连接为一体，并逐渐粗化呈连续的波浪状。

(2) TB18钛合金棒材具有较好的时效强化效果，经固溶时效处理能够提高强度400~500 MPa。缓慢冷却后形成的晶界α相对合金塑性、韧性不利。随着冷却速度的减慢，合金塑性和韧性均降低，尤其是断裂韧性降低明显，由空冷后的86.9 MPa·m1/2降低到0.25 ℃/min缓慢冷却条件下的57.8 MPa·m1/2，表明合金断裂韧性对晶界α相具有较高的敏感性。

(3) 采用BASCA热处理工艺能够使TB18钛合金获得在抗拉强度接近1300 MPa的水平下，延伸率达到8%，断裂韧性超过80 MPa·m1/2的优异综合性能。