热处理工艺对大规格TC17钛合金棒材组织与力学性能的影响

近年来，随着航空工业的不断发展，航空发动机对材料规格及性能提出了更高的要求[1]。TC17钛合金作为一种富β型两相钛合金，具有高强、高韧和高淬透性，是航空发动机压气机的重要候选材料之一[2-3]。在中温下，TC17钛合金的强度超过Ti-6Al-4V和Ti-6242合金，并具有较高的蠕变抗力，主要用作气轮发动机零件，如风扇盘和压气机盘件[4-8]。随着锻件整体化设计的发展，对TC17钛合金棒材规格的要求不断增大，这就对材料的组织均匀性和性能一致性提出了更高的要求。

钛合金加工工艺与其组织、性能关系错综复杂，并且大规格棒材由于加工过程中的尺寸效应，对其性能指标要求更加苛刻，因此深入研究不同热处理工艺对大规格棒材性能的影响极其重要。为此，开展了大规格TC17钛合金棒材热处理工艺研究，分析材料不同方向的组织均匀性及性能一致性情况，以期为该材料的工程应用提供工艺指导。

1、实验

实验材料为两相区热轧加工的φ350mm大规格TC17钛合金棒材，名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo，合金Tβ相变点为（890±10）℃。TC17钛合金棒材的原始组织为典型的等轴组织，主要由初生α相和转变β相组成，等轴α相均匀分布在基体中，并且基体中有少量的短棒状α相，如图1所示。

沿TC17钛合金棒材径向（R）和轴向（L）切取φ5mm×M10mm的拉伸试样。采用箱式电阻炉，按照表1所示热处理工艺对试样进行热处理。其中，固溶处理温度分别选用相变点以下800、820、840、860℃和相变点以上910、930、950℃，冷却方式选用空冷和水冷，保温时间选取2h和4h；时效制度均为630℃/8h/AC。

采用Instron1195电子万能试验机进行拉伸性能测试。采用OlympusMG3光学显微镜和JSM6460扫描电子显微镜进行显微组织观察与分析。

2、结果与分析

2.1显微组织分析

2.1.1固溶温度的影响

图2为TC17钛合金棒材经两相区固溶空冷＋时效处理后的显微组织。从图2可以看出，两相区固溶＋时效处理后显微组织表现为典型的双态组织，在转变β基体上分布着一定数量的α相，这些α相大小形状各异。此外，转变β基体中分布有次生α相。随着固溶温度的升高，TC17钛合金棒材组织中初生α相尺寸减小，含量降低，并且固溶温度越高，这种特征越明显，固溶温度为860℃时，组织中的初生α相含量明显减少（图2d）。

图3为TC17钛合金棒材经β相区910℃固溶水冷及910℃固溶水冷＋时效处理后的显微组织。从图3可以看出，经β相区固溶处理后，TC17钛合金棒材均为典型的魏氏组织，且时效前后组织均呈现为粗大的β晶粒，不同的是时效处理后，固溶过程析出的马氏体相和亚稳β相（图3a）发生分解，生成细小弥散的颗粒分布于基体内部（图3b）。

2.1.2冷却方式的影响

在相变点以下热处理，冷却方式对α相的形态会产生重要影响。图4为TC17钛合金棒材经不同温度固溶水冷＋时效处理后的显微组织。从图4可以看出，固溶水冷后的组织形貌与固溶空冷后相差不大，由初生α相、次生α相以及转变β相组成，均为典型的双态组织，并且随着固溶温度升高，初生α相含量减少，次生α相含量增多。与空冷组织（图2）相比，水冷后的次生α相细而短，晶间β相明显，主要是由于快速水冷抑制了次生α相的析出长大及粗化。

2.2力学性能分析

2.2.1两相区热处理

表2为TC17钛合金棒材径向拉伸试样经两相区（800、820、840、860℃）固溶＋时效处理后的力学性能。从表2可以看出，在固溶空冷和水冷条件下，随着固溶温度升高，TC17钛合金棒材强度升高，塑性降低。结合显微组织分析发现，固溶温度为800℃时，TC17钛合金棒材显微组织中的初生α相约占60%，固溶温度升高到860℃时，初生α相含量不超过20%，次生α相明显增多。初生α相的减少和次生α相的增多，导致材料在变形过程中晶界难以滑移，次生α相难以协调变形，因而材料强度增高及塑性降低。通过对比还发现，水冷条件下TC17钛合金棒材的塑性较高，具有较好的强塑性匹配，并且800℃/2h/WC＋时效处理后，棒材显示出最佳的强塑性匹配。TC17钛合金属于一种富β的两相钛合金，固溶过程可保留亚稳β相，固溶保温时间过长会导致β晶粒尺寸长大而影响强度和塑性，保温时间太短会导致α相向β相转变不充分，组织球化和均匀化不好，影响塑性。结合图2和图4发现，TC17钛合金棒材经固溶空冷＋时效处理和固溶水冷＋时效处理后均显示双态组织，但相同条件下水冷状态的初生α相较空冷状态的初生α相晶粒尺寸稍大，并且空冷状态下次生α相的长度和宽度均比水冷条件下的大，故在力学性能上显示出很大的差异。主要原因是固溶水冷后发生了马氏体相变，快速冷却过程中生成的亚稳相在时效过程中会向平衡组织转变，较大的内应力促使转变更加充分，水冷后时效析出的次生α相更加短小，晶界由转变β相组成，短小的次生α相比空冷状态较长的次生α相更易于协调变形，从而导致合金塑性提高[9-10]。而固溶温度升高，合金的初生α相明显减少，变形过程中晶界滑移系较少，导致合金强度升高。因此，TC17钛合金棒材经800/2h/WQ℃＋630/8h/AC℃热处理后显示出较好的强塑性匹配。

2.2.2β相区热处理

图5为TC17钛合金棒材经β相区910、930、950℃热处理后的力学性能，对应试样编号为表1中的9#~16#，固溶时间为2h，时效制度为630℃保温8h后空冷。从图5可以看出，仅固溶处理的TC17钛合金棒材强度较低，空冷条件下抗拉强度仅为832MPa，水冷条件下强度较空冷条件下略高。主要是由于在相变点以上固溶处理，显微组织为典型的魏氏组织，这种组织主要由粗大的β晶粒组成，变形过程由于晶界强度较弱，导致合金强度较低。

TC17钛合金棒材经时效处理后强度明显增加，但其拉伸试验均未测得延伸率，即相变点以上固溶处理后冷却方式不论空冷还是水冷，材料均表现为脆性断裂。从图5还可以看出，在相变点以上固溶＋时效处理，空冷条件下当固溶温度由910℃升高至930、950℃时，TC17钛合金棒材的抗拉强度明显降低，而在水冷条件下，强度随着固溶温度升高而增加，并且水冷后的抗拉强度高于空冷后，主要是由于水冷条件下析出的针状马氏体和亚稳β相在时效处理后较空冷析出相的强化作用明显。分析以上原因，时效处理后TC17钛合金棒材强度升高主要是由于固溶产生的马氏体及亚稳β相在时效处理后发生分解，引起时效强化。

2.3取样方向对合金力学性能的影响

表3为TC17钛合金棒材轴向拉伸试样经不同温度固溶保温2h水冷＋630℃保温8h空冷时效处理后的力学性能。从表3可以看出，随着固溶温度的升高，TC17钛合金棒材轴向拉伸试样的强度升高，塑性降低，与径向拉伸试样表现出相同的变化趋势。此外，轴向拉伸试样的强度和塑性均大于径向拉伸试样，说明TC17钛合金棒材存在各向异性。800℃保温2h固溶＋时效处理后，轴向屈服强度较径向增加了30MPa，增幅约为2.7%，但延伸率增加了33%。从数据对比中还可以发现，TC17钛合金棒材固溶水冷后的屈强比较高，整体保持在0.95以上，说明将其用作结构件具有较高的可靠性。

3、结论

(1)随着固溶温度升高，TC17钛合金中等轴α相含量减少，次生α相含量增多，较快的冷却速率可抑制晶粒的长大和粗化。

(2)TC17钛合金大规格棒材固溶空冷后的强度高于水冷后，但合金塑性较低。800/2h℃/WQ＋630/8℃h/AC处理可获得最佳的强塑性的匹配。

(3)TC17钛合金棒材具有较高的屈强比，将其作为结构件具有较高的可靠性。

参考文献References

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