TC18钛合金棒材的组织-服役性能一致性热处理

TC18是一种高合金化的α＋β型钛合金，具有高强度、高塑性、高韧性和良好的焊接性能等优点，因而被广泛应用于航空航天领域[1-4]。在飞机结构件中使用TC18钛合金代替高强钢可减重15％~20％。国外已将其广泛应用于制备大型起落架横梁、机身对接框等主承力结构件[5]。我国军用运输机、客机、大型运输机等多个型号机型的主承力构件已经实现TC18钛合金的升级替代，部分机型的TC18钛合金构件用量高达3t[6]。随着我国军机型号更新迭代和大型运输机的快速发展，对高性能TC18合金的需求日益迫切。

考虑到TC18钛合金使用场合的特殊性，主机厂对其构件组织的稳定性和性能的一致性提出较高要求，而棒材组织稳定性很大程度上决定了构件性能的一致性。目前关于TC18棒材组织的研究主要集中在显微组织中等轴状α相的均匀性，对于宏观低倍的晶粒尺寸研究相对匮乏。本文针对TC18钛合金棒材显微组织与其服役性能的匹配关系问题，首先通过单相区热处理工艺，获得不同晶粒尺寸的TC18钛合金棒材，进而探究晶粒尺寸对双重退火后TC18钛合金构件服役性能的影响，模拟构件的使用状态。最终确定具有较好服役性能的TC18钛合金棒材组织变化区间，以及对应的热处理工艺。

1、试验材料和热处理工艺

1.1　试验材料

本文试验材料是由某公司提供的TC18钛合金φ300mm棒材，其化学成分见表1，原始组织为等轴α＋β转变组织，见图1。

1.2　热处理试验方案

将TC18钛合金棒材切割成φ300mm×30mm的试样，按照单相区热处理工艺在（Ｔβ－40）℃保温1ｈ，之后升温到Ｔβ＋（15，25，35）℃分别保温0、0.5、1、2、和4ｈ，空冷。之后在TC18钛合金棒材1／2高度处分别取中心、Ｄ／4和边缘3个位置的试样，进行双重退火处理（一级退火：820~850℃保温1~3ｈ，炉冷至740~760℃保温1~3ｈ，空冷；二级退火：500~650℃保温2~6ｈ，空冷）。最后，检测双重退火后TC18钛合金的显微组织形貌，并对试样性能进行测试。晶粒尺寸统计是将试样先用硝酸和双氧水溶液腐蚀后，在光学显微镜下观察其显微组织及晶粒大小，然后用截线法获得热处理后试样的晶粒尺寸。α相的形貌通过ＺＥＩＳＳＳｉｇｍａ500扫描电镜获得。

2、试验结果和讨论

2.1　单相区热处理工艺对显微组织的影响

图2为当单相区温度为（Ｔβ＋15）℃时，TC18钛合金棒材中心、Ｄ／4和边缘处晶粒尺寸随单相区保温时间的变化曲线。由图2可知，沿棒材径向方向，距离边缘75mm以内的区域，晶粒尺寸随单相区保温时间的变化规律基本一致。表现为晶粒尺寸随着保温时间的增加而增大，当保温时间超过2ｈ后，晶粒尺寸增长逐渐变慢。但是，当保温时间超过2ｈ后，棒材中心附近的晶粒尺寸增大比较明显。在等温条件下，晶粒尺寸与保温时间的关系可用Ｂｅｃｋ方程描述[7]：

Ｄ－Ｄ0＝ktⁿ（1）

式中：Ｄ和Ｄ0分别为保温一定时间下的晶粒尺寸和原始晶粒尺寸，μm；ｋ为常数；ｔ为保温时间，ｈ；ｎ为晶粒生长指数。

图3（ａ~ｄ）为平均晶粒尺寸分别为200、250、300和430μm时，TC18钛合金棒材的显微组织。图4为TC18钛合金棒材平均晶粒尺寸随单相区温度和保温时间的变化曲线。从图4可知，当保温时间为0.5ｈ时，单相区温度对TC18钛合金晶粒尺寸的影响较小。

随着保温时间的增加，单相区温度对晶粒尺寸的影响逐渐增大。单相区温度越高，晶粒尺寸增大速度越明显。这是因为棒材中的α相含量与晶粒的长大有关，α相对晶界的移动具有阻碍作用。保温初始阶段，不同单相区温度热处理棒材中的α相含量差异不大，晶粒尺寸基本相同。随着保温时间的增加，α相含量逐渐减少，晶粒长大的阻力变小，并且温度越高，晶粒中α相含量减少越快，晶粒长大的阻碍越小，晶粒长大越快[8-９]。

2.2　双重退火后的组织及性能

选取单相区热处理后200、250、300、350和430μm平均晶粒尺寸试样，对其进行双重退火处理，得到不同晶粒尺寸试样退火后的性能，如图5所示。由图5可知，TC18钛合金棒材的抗拉强度随着平均晶粒尺寸的增加呈先增大再减小的趋势，在晶粒尺寸为300μm时抗拉强度最高。断裂韧度、断后伸长率和断面收缩率的变化趋势则相反，先减小再增大，在晶粒尺寸为300μm时最低。即随着平均晶粒尺寸的增加，抗拉强度、断裂韧度、断后伸长率和断面收缩率为跷跷板关系[5，10]。为了使TC18钛合金构件既有较高的抗拉强度，又具有良好的塑性和韧性，TC18钛合金棒材的平均晶粒尺寸需控制在300~430μm范围，其对应的单相区温度和保温时间分别为Ｔβ＋（25~35）℃和2~4ｈ。图6为不同平均晶粒尺寸的TC18钛合金棒材双重退火后的α相形貌。可见，初生α相占比随着平均晶粒尺寸的增大先减少后增加，相反，次生α相占比先增加后减少。因为次生α相为组织中的强化相，因此，TC18钛合金棒材经双重退火后其抗拉强度随着平均晶粒尺寸的增加呈现先增大后减小的趋势。

3、结论

1）TC18钛合金棒材单相区热处理后沿棒材径向方向，距离边缘75mm以内的区域，晶粒尺寸随着保温时间的增加而增大，当保温时间超过2ｈ后，棒材中心附近的晶粒尺寸相较边缘处增大速率急剧增加。

2）TC18钛合金棒材经双重退火后，其抗拉强度随着平均晶粒尺寸的增加呈现先增大再减小的趋势，在晶粒尺寸为300μm时抗拉强度最高，而断裂韧度、断后伸长率和断面收缩率的变化趋势则相反。

3）为使TC18钛合金构件既有较高的抗拉强度，又具有良好的塑性和韧性，TC18钛合金棒材的晶粒尺寸需要控制在300~430μm范围，其对应的单相区温度和保温时间分别为Ｔβ＋（25~35）℃和2~4ｈ。

参考文献：

[1]张永强，郭鸿镇，刘　瑞，等．TC18合金β相区等温锻造显微组织和力学性能[Ｊ].稀有金属材料与工程，2013，42（3）：634-638．

ＺｈａｎｇＹｏｎｇｑｉａｎｇ，ＧｕｏＨｏｎｇｚｈｅｎ，ＬｉｕＲｕｉ，ｅｔａｌ.ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆβｉｓｏｔｈｅｒｍａｌｆｏｒｇｅｄTC18ａｌｌｏｙ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2013，42（3）：634-638．

[2]韩　栋，张鹏省，毛小南，等.BT22钛合金及其大型锻件的研究进展[Ｊ].材料导报，2010，24（2）：46-50．

ＨａｎＤｏｎｇ，ＺｈａｎｇＰｅｎｇｓｈｅｎｇ，ＭａｏＸｉａｏｎａｎ，ｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆBT22ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙａｎｄｉｔｓｌａｒｇｅｆｏｒｇｉｎｇｓ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｖｉｅｗ，2010，24（2）：46-50．

[3]刘继雄，马宏刚，李　巍，等.两相区热处理制度对TC18钛合金等轴化规律的影响[Ｊ].金属热处理，2015，40（5）：77-81．

ＬｉｕＪｉｘｉｏｎｇ，ＭａＨｏｎｇｇａｎｇ，ＬｉＷｅｉ，ｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｉｎｔｗｏ-ｐｈａｓｅｒｅｇｉｏｎｏｎｅｑｕｉａｘｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆTC18ａｌｌｏｙ[Ｊ]．ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2015，40（5）：77-81．

[4]胡愈刚，王晓平，周　亮．TC18钛合金焊接技术在飞机起落架中的应用研究[Ｊ].焊接工艺，2011（16）：72-74．

ＨｕＹｕｇａｎｇ，ＷａｎｇＸｉａｏｐｉｎｇ，ＺｈｏｕＬｉａｎｇ.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎTC18ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆａｉｒｃｒａｆｔｌａｎｄｉｎｇｇｅａｒ[Ｊ].ＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2011（16）：72-74．

[5]同晓乐，马元杰，王　田，等.固溶温度对TC18钛合金棒材组织性能的影响[Ｊ].中国钛业，2018（1）：33-34．

ＴｏｎｇＸｉａｏｌｅ，ＭａＹｕａｎｊｉｅ，ＷａｎｇＴｉａｎ，ｅｔａｌ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTC18ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｂａｒｓ[Ｊ].ＣｈｉｎａＴｉｔａｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙ，2018（1）：33-34．

[6]刘道庆，李洪恩．TC18钛合金普通退火工艺研究[Ｊ].飞机设计，2014，34（3）：25-28．

ＬｉｕＤａｏｑｉｎｇ，ＬｉＨｏｎｇｅｎ.ＡｎｎｅａｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆTC18ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｓｉｇｎ，2014，34（3）：25-28．

[7]毛卫民，赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大[Ｍ].北京：冶金工业出版社，1９９4．

[8]贾百芳，杨　义，葛　鹏，等．TC18钛合金固溶时β晶粒的长大规律[Ｊ].机械工程材料，2011，35（12）：71-73．

ＪｉａＢａｉｆａｎｇ，ＹａｎｇＹｉ，ＧｅＰｅｎｇ，ｅｔａｌ.βｇｒａｉｎｇｒｏｗｔｈｒｕｌｅｏｆTC18ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｄｕｒｉｎｇｓｏｌｉｄ-ｓｏｌｕｔｉｏｎ[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2011，35（12）：71-73．

[９]陈素明，胡生双，张　颖，等.退火工艺对增材制造TC18钛合金力学性能和组织的影响[Ｊ].金属热处理，2020，45（8）：142-146．

ＣｈｅｎＳｕｍｉｎｇ，ＨｕＳｈｅｎｇｓｈｕａｎｇ，ＺｈａｎｇＹｉｎｇ，ｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆａｎｎｅａｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄTC18ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2020，45（8）：142-146．

[10]沙爱学，李兴无，王庆如.变形量对TC18钛合金力学性能的影响[Ｊ].材料工程，2014（11）：34-37．

ＳｈａＡｉｘｕｅ，ＬｉＸｉｎｇｗｕ，ＷａｎｇＱｉｎｇｒｕ.ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｅｆｏｒｍｉｎｇａｍｏｕｎｔｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTC18ａｌｌｏｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2014（11）：34-37．