热处理温度对TC18钛合金棒微观组织与冲击性能的影响

TC18钛合金的名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，作为一种十分重要的金属材料，其在航空航天、石 油化工以及汽车工业等较多领域均有广泛的应用［1-2］。由于TC18钛合金中包含较多的β类稳定元素（Mo 、V），故可对其进行热处理强化，通过合理的热处理工艺提高合金的力学性能［3-4］。

目前，已有大量的学者对TC18钛合金进行了研究。其中，牟芃威等［5］研究了固溶和时效温度对铸态 TC18合金组织性能的影响，结果表明：铸态TC18合金经固溶后组织中初生α相发生粗化并形成过饱和固溶体 ，随着固溶温度的升高，合金强度和硬度不断下降。再经时效处理后，合金强度与硬度有所增加，这是因为 时效析出次生α相，其硬度高于β基体，致使硬度提升。且次生α相能够阻碍变形过程中的位错运动，从而 提高合金强度。随着时效温度升高，次生α相的数量减少，导致合金硬度降低，但强度变化较小。辛宏靖等 ［6］研究了初生α相含量对TC18钛合金时效组织及力学性能的影响，结果表明：经低温固溶处理后，组织 中初生α相含量较高，抑制了次生α片层在时效过程中的析出，致使合金强度较低，塑性较高；而经高温固 溶处理后，组织中初生α相含量减少，大量次生α相在时效过程中析出，提高了合金强度，并导致塑性有所 降低。陈素明等［7］研究了退火工艺对增材制造TC18钛合金力学性能和微观组织的影响，结果表明：退火 温度为600℃时，合金的强度与塑性达到最佳匹配，随着退火温度的不断升高，组织中β晶内的针状α相开 始粗化，合金强度降低，而塑性提高。

综上所述，目前对TC18钛合金的热处理研究大多数以固溶时效以及退火工艺为主，并且力学性能测试以 强度与塑性等拉伸性能为主，对其他热处理工艺以及力学性能研究较少。故本文针对TC18钛合金采用不同温 度热处理后进行炉冷的方法，研究不同热处理温度对TC18钛合金微观组织与冲击性能的影响。通过实验数据 以及理论分析探索该合金的应用价值，为相关领域的研究和应用提供相应参考。

1、试验材料与方法

选用经自由锻造机多火次锻造加工而成的TC18钛合金棒材作为试验材料，成品棒材规格为φ200ｍｍ， 其化学元素含量使用电感耦合等离子体发射光谱仪进行测试，结果如表1所示。采用光学显微镜分析合金试样的微观组织，结果如图1所示。

从图1中可以发现，该合金原始组织主要由大量的α相以及β转变组织构成，并发现明显的晶界α相， 组织中α相的形貌以大量细小条状为主，长短不一且在基体上交错分布。

使用连续升温金相法对TC18钛合金试样进行相变点测试，测得试验合金的β转变温度为893℃。将TC18 钛合金棒材进行切割加工，随后根据β转变温度设置不同的温度（835、855、875、895℃）对合金进行热 处理，加热设备为CWF12／65（1200）型马弗炉，升温速度为15℃/min，升至设定温度后保温2ｈ，待保 温结束后，采用炉冷的方式进行冷却。对冷却后的试样进行微观组织观察及抗冲击性能测试。为保证试验严 谨性，合金微观组织取样位置为冲击试样尾部，冲击试样沿棒材的纵向位置取样。

在冲击试样测试中，每组采用3个试样进行测试，最后取3个结果的平均值作为试验结果。此外，使用Ｏ ＬＹＭＰＵＳ型光学显微镜分析试样的金相组织，使用ＪＣＭ700型扫描电子显微镜观察高倍组织以及拉伸 断口微观形貌，使用Ｅｍｐｙｒｅａｎ型Ｘ射线衍射仪分析试样的物相，使用ＬＦ5255型冲击试验机进行冲 击性能测试。

2、结果与讨论

2.1　微观组织

图2为经不同温度热处理后炉冷所得TC18钛合金的微观组织。与原始棒材相比，不同热处理温度所得 TC18钛合金中α相尺寸大小、分布情况以及形貌均发生了不同程度的变化。当热处理温度为835℃（图2（ａ ））时，合金微观组织主要由细小条状α相、部分等轴α相、β转变组织以及个别较大的块状α相构成，且 α相尺寸明显增大。当热处理温度升高至855℃（图2（ｂ））时，组织中仍存在一定数量的大块状α相及长 条状α相。随着热处理温度进一步升高至875℃（图2（ｃ）），大块状α相减少，长条状α相变得更加细 小，并

有细小的针状α相出现。

当热处理温度升至895℃（图2（ｄ））后，温度已经达到β单相区温度，组织中分布大量的针状α相， 且晶界α相附近针状α相数量更多，而条状α相与等轴α相完全消失。

由于炉冷过程中合金冷却速率相比于水冷等其他冷却方式较慢，合金中的原子在冷却时有足够的时间扩 散，因而组织中的α相形核和长大更加容易发生［8］。当热处理温度较低（835、855℃）时，为α相和β 相两相区温度，组织中α相未完全转变为β相，炉冷过程中组织内α相与β相的元素会进行再分布，炉冷前 合金的组织中已存在部分α相，炉冷过程中新的α相析出，且其形核位置通常在β晶界及原α相界面，新析 出的α相与组织中未发生转变的α相融为一体，最后聚集成块，从而导致α相较原始微观组织中的α相有明 显增大。热处理温度较高（875、895℃）时，条状α相逐渐变得细小，这是由于该温度已逐步到达β单相 区温度，升温过程中，组织中α相逐渐转变为β相，α相发生溶解，且其溶解顺序与原始组织中α相的析出 顺序相反，首先最薄最细的α相开始溶解，随后尺寸较厚较大的α相逐渐溶解，经炉冷处理后，组织中的α 相以新析出α相为主，故导致其尺寸减小［9］。

2.2　物相组成

图3为经不同温度热处理后炉冷所得TC18钛合金的ＸＲＤ衍射图谱。热处理后的合金组织在冷却过程中 会发生β→α相转变。通常情况下，β相会转变为α′相、α″相及α相，其中α′相与α″相是通过切变 方式进行转变，而α相是通过扩散方式进行转变。

影响转变方式的主要因素为过冷度，当冷却速率较快时，产生的过冷度较大，β相会转变为α′相或α ″相；而当冷却速率较慢时，产生的过冷度较小，β相则会转变为α相［12-13］。由于本试验的冷却方式 为炉冷，冷却速度慢，即β相将转变为α相。由图3可知，经不同温度热处理并炉冷后，合金的衍射峰主要 由α相与β相构成。同时发现，当热处理温度不同时，α相与β相的衍射峰强度有所区别，随着温度升高， β相的（110）晶面、α相的（002）、（200）晶面的特征衍射峰强度呈上升趋势，而其余晶面的特征衍射 峰强度变化较小。β相衍射峰强度增加是由于热处理温度升高，组织中α→β相转变更为完全，即形成的β 相含量更高，故其衍射峰强度增加。此外，随着热处理温度升高，β转变组织的Mo元素与V元素有所降低， 而Al元素含量却随着热处理温度的升高而增加，Al元素作为α相稳定元素，其含量的改变会影响α相的晶格 常数，从而使得部分α相的衍射峰强度增大，即不同的热处理温度会引发组织中元素产生再分配现象，从而 影响部分α相衍射峰的强度［14-15］。

2.3　冲击性能

材料的冲击性能主要是由两方面所构成，即冲击吸收功及冲击韧性。其中，合金的冲击吸收功是指合金 在裂纹开动以及裂纹扩展过程中消耗的能量，其本质是合金阻碍裂纹开动以及裂纹扩展的能力［16-17］； 冲击韧性值为冲击吸收功与试样标准断面面积之商，冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收弹性变形功、 塑性变形功以及裂纹扩展撕裂功的能力，其中塑性变形功以及裂纹扩展撕裂功是主要影响因素。图4所示为 经不同热处理温度处理后炉冷所得TC18钛合金的冲击吸收功以及冲击韧性值。由图4可知，合金的冲击吸收 功与冲击韧性二者成正比例关系，即冲击吸收功越大，合金的冲击韧性越高。经对比发现，合金经不同温度 热处理过后，其冲击性能随着热处理温度的升高而逐渐降低，当热处理温度由835℃提高至895℃时，合金的 冲击吸收功由46Ｊ下降至36Ｊ，冲击韧性则由57J/cm²下降至44J/cm²。

结合图2可知，当热处理温度较低时，组织析出α相的含量较多且尺寸较大，此时组织具备较好的协调 性，在裂纹开动过程中能够形成较大的塑性变形区，从而吸收较多的能量；在裂纹扩展方面，因为此时组织 中等轴状和条状的α相含量较高，裂纹在扩展过程中会延α相的晶界或穿过α相扩展，整体扩展路径较为平 顺。当热处理温度较高时，组织主要由大量细小针状次生α相构成，冲击试样在变形过程中，组织中容易形 成钉扎作用，增加位错运动的阻力，使得裂纹开动过程中形成的塑性变形区面积较小，吸收能量较少；在裂 纹扩展方面，因为组织中α相含量降低，这将增大裂纹扩展路径的曲折性，增加裂纹的长度，且大量细小的 针状次生α相还会对裂纹尖端应力场起到一定的分散效果，即增加裂纹扩展过程中消耗的能量。

综上所述，在热处理温度升高的过程中，TC18钛合金在裂纹开动过程中吸收的能量逐渐减少，而在裂纹 扩展过程中吸收的能量则逐渐增多。相关研究［18-19］表明，裂纹在开动过程中吸收的能量为主要能量， 而裂纹在扩展过程中吸收的能量为次要能量，因此随着热处理温度不断升高，TC18钛合金的冲击性能逐渐降 低。

2.4　冲击断口微观形貌

图5为经不同温度热处理后炉冷所得TC18钛合金的冲击断口微观形貌。当热处理温度较低时（图5（ａ） 、图5（ｂ）），冲击断口形貌以韧窝为主，韧窝尺寸较大，且在大韧窝中含有大量小韧窝，说明该组织较 为均匀，具有较弱的抗裂纹扩展能力，扩展所需的条件容易满足。裂纹在组织内进行扩展时，不仅可以沿α ／β晶界的交界处进行扩展，还可穿过晶粒进行扩展，其扩展路径较平直，且分支较少，使得裂纹扩展路径 平坦且路程较短，表明合金冲击性能良好［20］。韧窝尺寸较大是因为合金在炉冷过程中，组织中发生回复 与再结晶，使滑移系统增加，进而提高了合金韧性。

随着热处理温度升高至875℃（图5（ｃ）），断口韧窝尺寸变小，并有撕裂棱出现，这表明合金强度 增加且韧性有所降低。当热处理温度升高至β单相区后（图5（ｄ）），断口中除明显的韧窝以及撕裂棱形 貌外，空洞尺寸有所增加，这是因为组织中含有大量针状α相，当裂纹的尖端进行扩展时会经过针状α相， 由于针状α相本身硬度较高，抵抗裂纹继续扩展的能力得以增强，裂纹产生绕弯偏转，扩展方向沿着α／β 晶界交界处进行，从而在此区域形成空洞，若继续施加外力作用，微孔会聚合为二次裂纹来协调裂纹进行扩 展。

3、结论

1）TC18钛合金经不同温度热处理并炉冷冷却后，组织中均存在α相和β相，α相尺寸大小、分布情况 以及相貌均有不同程度变化。随着热处理温度的升高，部分α相和β相的衍射峰强度增大，组织中大块状α 相消失、长条状α相更加细小，并析出较多细小的针状α相。

2）合金冲击性能随着热处理温度的升高而逐渐降低，当热处理温度由835℃升高至895℃，合金的冲击 吸收功由46Ｊ降至36Ｊ，冲击韧性由57J/cm²降至44J/cm²。

3）当热处理温度较低（835、855℃）时，合金的冲击断口微观形貌主要以韧窝为主，韧窝尺寸较大， 且在大韧窝中含有大量小韧窝。当热处理温度较高（875、895℃）时，断口中韧窝尺寸变小，并有撕裂棱 出现，且空洞尺寸有所增加。

参考文献：

［1］陈　雷，张禹森，张启飞，等．TC18钛合金模锻件低倍组织分层机理及预测［Ｊ］．中国有色金 属学报，2023，33（2）：343-352．

［2］熊智豪，李志尚，杨　平，等．大规格TC18钛合金棒材多火次锻造中β相织构演变规律［Ｊ］． 钛工业进展，2021，38（6）：6-11．

［3］李志尚，陈立全，杨　平，等．TC18钛合金棒材锻造时拔长过程织构模拟［Ｊ］．塑性工程学报 ，2021，28（9）：94-102．

［4］张　颖，胡生双，郑　超，等．双重退火对激光增材制造TC18钛合金组织和性能的影响［Ｊ］． 特种铸造及有色合金，2021，41（8）：1　006-1　009．

［5］牟芃威，吕书锋，杜赵新．固溶和时效温度对铸态TC18合金组织性能的影响［Ｊ］．钢铁钒钛， 2023，44（2）：61-66．

［6］辛宏靖，廖敏茜，王潇汉，等．初生α相含量对TC18时效组织及力学性能的影响［Ｊ］．精密成 形工程，2021，13（3）：143-147．

［7］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．

［8］张　乐，刘莹莹，薛希豪，等．显微组织对TC18合金裂纹扩展速率的影响［Ｊ］．稀有金属， 2018，42（6）：594-600．

［9］张明玉，运新兵，伏洪旺．热处理冷却方式对TC10钛合金组织与性能的影响［Ｊ］．金属热处理 ，2022，47（8）：98-105．

［10］吴汐玥，陈志勇，程　超，等．热处理对Ti65钛合金板材的显微组织、织构及拉伸性能的影响［ Ｊ］．材料研究学报，2019，33（10）：785-793．

［11］尹雁飞，贾蔚菊，李思兰，等．双重时效对TC29钛合金显微组织的影响［Ｊ］．稀有金属材料与 工程，2019，48（9）：3　001-3　006．

［12］辛社伟，赵永庆．钛合金固态相变的归纳与讨论（Ⅵ）———阿尔法［Ｊ］．钛工业进展，2013 ，30（4）：1-8．

［13］辛社伟．钛合金固态相变的归纳与讨论（Ⅴ）———相与相变谈［Ｊ］．钛工业进展，2013，30 （3）：12-15．

［14］王　琛，徐　栋，陈　力．热处理对TC18钛合金组织和力学性能的影响［Ｊ］．金属热处理， 2018，43（9）：186-190．

［15］ＸＵ　Ｊｉａｎｗｅｉ，ＺＥＮＧ　Ｗｅｉｄｏｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｄａｄｉ，ｅｔ　Al．ＥVｏ ｌｕ-Tiｏｎ　ｏｆ　ｃｏｏｒｄｉｎａTiｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎαａｎｄβｐｈａｓｅｓ　ｆｏｒ　ｔｗ ｏ-ｐｈａｓｅ　Tiｔａｎｉｕｍ　Alｌｏｙ　ｄｕｒｉｎｇ　ｈｏｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｒａｎ ｓａｃ-Tiｏｎｓ　ｏｆ　ＮｏｎFeｒｒｏｕｓ　ＭｅｔAlｓ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，2021 ，31（11）：3　428-3　438．

［16］ＬＥＩ　Ｌｅｉ，ＺＨＡＯ　Ｑｉｎｙａｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｙｏｎｇｑｉｎｇ，ｅｔ　Al．Ｓｔ ｕｄｙｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｉｍｐａｃｔ　 ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆTC21Alｌｏｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉAlｓ　ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａTiｏｎ， 2021，177：111164．

［17］ＺＨＡＯ　Ｑｉｎｙａｎｇ，ＳＵＮ　Ｑｉａｏｙａｎ，ＸＩＮ　Ｓｈｅｗｅｉ，ｅｔ　Al． Ｈｉｇｈ-ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Tiｔａｎｉｕｍ　Alｌｏｙｓ　ｆｏｒ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ｅｎｇｉｎ ｅｅ-ｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａTiｏｎｓ：Ａ　ｒｅVｉｅｗ　ｏｎ　ｍｅｌTiｎｇ-ｆｏｒｇｉｎｇ　ｐ ｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉAlｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａ，2022，845 ：143260．

［18］张明玉，运新兵，伏洪旺．固溶时效处理对TC11钛合金组织与冲击性能的影响［Ｊ］．稀有金属 材料与工程，2023，52（5）：1　759-1　766．

［19］董晓锋，张明玉，周江山，等．热处理对TC4ＥＬＩ钛合金显微组织与力学性能的影响［Ｊ］． 热加工工艺，2022，51（24）：142-146．

［20］ＫＯＴＫＵＮＤＥ　Ｎ，ＫＲＩＳＨＮＡＭＵＲＴＨＹ　Ｈ　Ｎ，ＰＵＲＡＮ-ＩＫ　Ｐ，ｅｔ 　Al．ＭｉCrｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ｃｏｎｓTiｔｕTiVｅ　Mo-ｄｅｌｉｎｇ　ｏ ｆ　Ti-6Al-4VAlｌｏｙ　ａｔ　ｅｌｅVａｔｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉAlｓ 　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ，2014，54：96-103．