退火工藝對鈦合金性能有哪些影響？

TC16鈦合金是21世紀(jì)初中國在俄制BT16鈦合金成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種具有良好工藝塑性的 鈦合金材料，屬于 α+β 兩相鈦合金，名義成分為 Ti?3Al?5Mo?4.5V，相變點(diǎn)在 840～880 °C，β 穩(wěn)定 系數(shù)為 0.83，具有高塑性、高強(qiáng)度、良好淬透性、 優(yōu)異的冷鐓成型性，同時(shí)具有抗疲勞和焊接性能好，對應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點(diǎn)。

一架中型飛機(jī) (如國產(chǎn)C919) 所用的緊固件的總重量可占飛機(jī)總質(zhì)量的5%~6%，可達(dá)200萬到300 萬個(gè)[3]。圖1為 TC16 鈦合金緊固件及 C919 飛機(jī)。

　　TC16 鈦合金常以冷鐓熱處理的方式進(jìn)行強(qiáng)化， 故要求材料在退火態(tài)具良好的塑性，固溶時(shí)效態(tài)具有較高的強(qiáng) 度 。對比俄制BT16鈦合金， 國產(chǎn)TC16鈦合金具有與其相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和工藝塑性， 但是冷鐓工藝還不夠成熟，無法實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)。研究表明，材料的冷鐓變形能力與塑性、剪切強(qiáng)度及組織有關(guān)。

　　本次實(shí)驗(yàn)所用材料是經(jīng)多次次真空自耗熔煉的TC16合金鑄錠，坯料經(jīng)自 由鍛+精鍛、粗軋+連軋等工序生產(chǎn)至 ?8.0 mm 線 材盤圓，其 α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為856 °C。圖 2 為TC16鈦合金 ?8.0 mm棒材軋制態(tài)顯微組織，由圖2可以看出，棒材原始組織為細(xì)小的等軸初生+馬氏體α′′+β基體構(gòu)成，原始β晶界已完全破碎，初生α相體積分?jǐn)?shù)約為50%，且α相為短棒狀、針狀和 顆粒狀。另外，顯微組織中存在少量片層狀的馬氏體 α′′，這與軋制工藝及軋后冷卻方式有關(guān)。

　　在TC16鈦合金?8.0mm盤圓線材上取樣，按照表1中的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行退火和固溶時(shí)效熱處理實(shí)驗(yàn)，研究不同退火工藝和固溶時(shí)效工藝對棒材退火態(tài)及固溶時(shí)效態(tài)顯微組織和力學(xué)性能的影響，其 中，F(xiàn)C為爐冷;AC為空冷;WQ為水淬。試樣經(jīng)熱處理后依據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料室溫拉 伸實(shí)驗(yàn)方法》加工、檢測室溫力學(xué)性能，依據(jù)GB/T5168 —2020《α-β 鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方 法》中的方法加工、腐蝕后，并檢測、分析其顯微組織。

　　其中方案A1～A4研究不同退火溫度對棒材退火后顯微組織及室溫力學(xué)性能的影響，方案B1～ B3研究不同固溶溫度對棒材固溶時(shí)效態(tài)組織性能的影響，方案 B2、B4、B5、B6 研究不同時(shí)效溫度對 棒材固溶時(shí)效態(tài)組織性能的影響。

　　圖3為TC16 鈦合金棒材不同退火溫度隨爐冷卻后的顯微組織，由圖3可以看出隨退火溫度的升高，顯微組織中初生α相的含量逐漸減少，晶粒逐漸長大。圖3(a) 和3(b) 分別為試樣在760和780 °C 退火后的顯微組織，為α相和β相組成的彌散混合組織，平均晶粒大小為1.22μm。圖3(c)和3(d)分別為試樣在800和820 °C退火后的顯微組織，由等軸初生α相與局部片層狀的次生α′′相及β基體組成，與圖 3(a)和3(b)相比，圖3(c)和3(d)中的晶粒明顯長大，局部出現(xiàn)少量片層組織，平均晶粒尺寸由原來的1.22增加至1.33μm。

　　圖4為不同退火溫度對TC16鈦合金棒材室溫性能的影響。

　　由圖4可以看出，隨退火溫度的升高 (隨后慢 冷) 棒材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均逐漸降 低，伸長率逐漸升高，斷面收縮率先升高再降低。原因?yàn)樵讦?β兩相區(qū)退火時(shí)棒材發(fā)生了回復(fù)與再結(jié) 晶，退火溫度越高再結(jié)晶后晶粒越粗大，棒材強(qiáng)度越低。在 780 °C 時(shí)棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了840MPa， 斷面收縮率達(dá)到了最大值 74%，研究表明斷面收縮 率與材料冷鐓性能成正相關(guān)，因此，在選擇TC16鈦合金退火工藝參數(shù)時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)，兼顧材料強(qiáng)度與塑性，特別是保證TC16鈦合金棒材的供貨 狀態(tài)工藝性能—冷鐓性能[5]，因此，TC16合金棒材最佳退火制度為780 °C保溫2h，以 2～4 °C/min 爐冷至550 °C以下，空冷。

　　圖5為不同固溶溫度固溶時(shí)效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織，圖中白色顆粒為初生α相，黑色部分為β基體(包括淬火保留下來的亞穩(wěn)定β相和α′′相)。

　　圖6所示為不同固溶溫度固溶時(shí)效處理后的TC16鈦合金棒材室溫力學(xué)性能，可以看出，隨著固溶溫度升高，棒材固溶時(shí)效態(tài)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均升高，伸長率降低，斷面收縮率先 升高再降低。在800 °C時(shí)棒材斷面收縮率達(dá)到了最高值 74%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1098 MPa，剪切強(qiáng)度達(dá)758MPa，強(qiáng)度與塑性達(dá)到了最佳匹配，故TC16鈦合金棒材的最佳固溶制度為 800 °C保溫2 h， 水淬。

　　圖7所示為不同時(shí)效溫度固溶時(shí)效處理后的TC16鈦合金棒材顯微組織，由圖7可以看出，隨著時(shí)效溫度升高，固溶過程中保留的亞穩(wěn)定β相轉(zhuǎn)變而形成的質(zhì)點(diǎn)的彌散程度也各不相同，520 °C時(shí)效從亞穩(wěn)定β相分解的第二相比較彌散，如圖7(a) 所 示。隨著時(shí)效溫度的升高，彌散析出的第二相質(zhì)點(diǎn)開始聚集，如圖7(c) 和7(d) 所示，研究表明TC16 鈦合金亞穩(wěn)定相分解從350～400 °C開始，500 °C 時(shí)效后亞穩(wěn)定β相完全分解，但穩(wěn)定化β相的鉬、 釩含量比在較低溫度下得到平衡的β相的少[1]。

　　圖8為時(shí)效溫度對TC16鈦合金棒材固溶時(shí)效態(tài)室溫力學(xué)性能的影響，由圖8可以看出，隨著時(shí)效溫度的升高，棒材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度逐漸降低，伸長率逐漸升高，斷面收縮率先升高 后降低。

這是因?yàn)闀r(shí)效時(shí)亞穩(wěn)定β相分解引起時(shí)效強(qiáng)化，但隨著固溶溫度從 520升高至580 °C彌散析出的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了較大程度的聚集，使得強(qiáng)度逐漸降低，塑性升高。時(shí)效溫度為560 °C時(shí)棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值74%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1098 MPa， 剪切強(qiáng)度達(dá)到了 758 MPa。

因此，800 °C固溶后經(jīng)560 °C保溫8h時(shí)效，可以使TC16鈦合金棒材強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳匹配。

　　(1)TC16鈦合金棒材在退火后以 2～4 °C/min 爐冷的冷卻速度不變的情況下，隨退火溫度的升高， 組織中初生α相含量減少、平均晶粒尺寸增加，棒材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均降低，伸長率略有升高，斷面收縮率先升高后降低。780 °C 退火后棒材的斷面收縮率達(dá)到了最高值。

　　(2) 在時(shí)效溫度不變的情況下，隨固溶溫度的升高，TC16合金棒材固溶時(shí)效后組織中初生 α 相含量減少，次生相含量增加，室溫拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度升高，伸長率降低，斷面收縮率先升高再降低，在800 °C時(shí)達(dá)到了最高值。

　　(3) 在固溶溫度不變的情況下，隨著時(shí)效溫度的升高，TC16合金棒材組織中的彌散析出的第二相開始聚集，室溫拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度降低，伸長率升高，斷面收縮率先升高再降低。經(jīng)“800 °C 保溫 2 h，水淬+560 °C保溫8h，空冷”固溶時(shí)效處理后棒材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1100 MPa，斷面收縮率達(dá)到了74%，強(qiáng)度和塑性達(dá)到了最佳匹配，為TC16鈦合金棒材的最佳固溶時(shí)效制度。