锻造工艺和时效处理对TC10钛合金组织和性能的影响

引言

TC10钛合金名义成分为 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，是在 Ti-6Al-4V 合金基础上添加较多 β 相稳定元素 V 及其他调节元素而形成的一种典型α + β 双相钛合金［1 － 3］。由于其优异的力学性能、耐热性能(可在 400 ℃以下长期使用)、较好的抗氧化性、耐蚀性和焊接性能，被广泛应用于飞机机身、火箭发动机、核反应堆部件以及石油勘探用油井管等部件［4 － 5］。与 Ti-6Al-4V 合金相比，TC10 钛合金增加的 β 相稳定元素极大地改善了其热处理特性，退火态强度超过了 Ti-6Al-4V 合金，同时也可通过固溶时效热处理达到更高的强度。由于 α + β 钛合金的性能与 α 相和 β 相的相对含量及形貌密切相关，而棒材的组织则与锻造工艺和热处理制度密不可分［6 － 9］。

因此，为得到综合性能良好匹配的TC10钛合金棒材，研究了热变形工艺和时效温度对组织和力学性能的影响规律，以期为石油勘探用油井管等提供优质坯料。

1、实验

实验材料采用宝钢特钢生产的φ508 mmTC10钛合金铸锭。铸锭经过 2 次真空自耗熔炼，其化学成分如表 1 所示。通过金相法测得合金相变点为 930 ℃。

TC10钛合金铸锭经过 A、B 2 种不同锻造工艺加工成 φ130 mm 棒材。其中，工艺 A: 铸锭→单相区 2 次墩拔→相变点附近 2 次墩拔→两相区 2 次换向墩拔→两相区 2 次拔长→径锻机锻至 φ130 mm;工艺 B: 铸锭→单相区 2 次墩拔→相变点附近 2 次墩拔→两相区 2 次单向墩拔→两相区 2 次拔长→径锻机锻至 130 mm。分别从 2 种工艺获得的棒材端部沿横向和纵向截取金相试样和拉伸试样，采用蔡司 AXIOPLAN2 金 相 显 微 镜 观 察 显 微 组 织，采 用Zwicke Z-150 万能试验机测试拉伸性能。对比 2 种工艺制备的棒材的力学性能，选取性能较优的棒材在马弗炉中进行 875 ℃ × 2 h /WC 固溶处理，然后分别在 510、550、560、600 ℃进行保温 6 h 的时效处理。

从时效处理后的棒材上截取金相试样和拉伸试样，进行组织观察和拉伸性能测试。

2、结果与分析

图 1 为 2 种不同锻造工艺得到的棒材锻态金相照片。从图中可以看出，铸锭的原始粗晶组织得到了很好的破碎，原始晶界不复存在，棒材组织由初生 α 相、α'相和残余 β 相组成，属于典型的 α + β 双态组织。采用工艺 A 生产的棒材组织以等轴初生 α相为主，并且均匀性较好，且横向组织与纵向组织差别不大，只是纵向组织中初生 α 相含量稍多，这跟照片拍摄视场有关。而工艺 B 生产的棒材组织中条状α 相较多，横向和纵向组织差别较大，纵向组织初生条状 α 相和次生条状 α 相具有明显的方向性。

TC10钛合金棒材锻态室温拉伸性能如表 2 所示。可以看出，采用工艺 A 生产的棒材纵向性能和横向性能差别不大，说明棒材的各向异性较小。采用工艺 B 生产的棒材纵向与横向拉伸性能差别较大，纵向性能明显优于横向性能，这主要是因为工艺 B得到的棒材的组织均匀性差，横向组织与纵向组织差别较大。工艺 B 得到的棒材组织中 α 相以条状为主，条状 α 相对强度贡献较大，但不利于塑性性能。图 2 为工艺 A 得到的TC10钛合金棒材在 875 ℃固溶处理后再经不同温度时效处理后的金相照片。

固溶处理会使部分初生 α 相溶解转变为 β 相，因此初生 α 相数量(见图 2) 与锻态组织(见图 1) 相比明显减少。固溶过程中形成的亚稳定 β 相在时效时会转变成次生 α 相，时效温度较低时，亚稳定 β 相转变为细小弥散的次生 α 相。随着时效温度的升高，次生 α 相逐渐增多并聚集长大，当温度达到 560 ℃时，次生 α 相数量达到最大，且形状呈细小的短棒状，如图 2c 所示。当时效温度进一步升高时，次生 α相不断长大变粗，部分析出的 α 相已与初生 α 聚集在一起(图 2d)，强化作用减弱。这点与 TC4 钛合金的组织变化相似［9］，但由于TC10钛合金相比 TC4 钛合金的 β 稳定元素较多，其固溶时效组织以 β 相为主。

时效温度对TC10钛合金棒材力学性能的影响如图 3 所示。从图中可以看出，棒材的抗拉强度随时效温度的升高先迅速降低再逐渐升高，当时效温度达到 560 ℃时抗拉强度达到最小值。延伸率和断面收缩率随时效温度的变化是先升高后降低，在 560 ℃时延伸率和断面收缩率达到最高值。时效温度较低时，组织中析出的弥散细小 α 相和 β 相混合物对基体具有很好的强化作用，因此抗拉强度较高。但随着时效温度的提高，析出相逐渐长大，强化作用逐渐减弱，在 560 ℃ 时强度达到最低，之后抗拉强度随时效温度升高而升高，这是因为析出的弥散细小的 α 相进一步长大并与初生 α 相发生聚集，有利于强度的提高。而延伸率和断面收缩率的变化规律与抗拉强度的变化规律正好相反。强度和塑性是一对对立的指标，当时效温度较低时，析出的细小弥散α 相和 β 相混合物分布在晶界，阻碍了位错滑移，塑性较低。随着时效温度升高，细小弥散的析出相进一步长大，形成新的晶界，晶粒进一步均匀化，塑性提高，在 560 ℃ 时塑性最佳。当时效温度超过560 ℃ 时，组织进一步粗化，塑性变差。时效温度为 550 ℃时棒材可以获得良好的综合力学性能。

3、结论

(1)采用工艺 A 获得的TC10钛合金棒材组织均匀性好，且性能的各向异性小; 工艺 B 获得的棒材组织均匀性差，且性能的各向异性大。

(2)TC10 钛合金棒材的抗拉强度随时效温度升高先降低后升高，而塑性则随时效温度升高先升高后降低。

(3)TC10 钛合金棒材经 875 ℃ ×2 h/WC +550 ℃× 6 h /AC 热处理可以获得良好的综合力学性能。

参考文献

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