时效热处理对TC18钛合金组织及力学性能的影响

TC18属于α+β型钛合金，具有优良的塑性变形性、淬透性、断裂韧性和较高的强度，适用于制备高承载的航空结构件 [1−5] 。传统铸造是迄今为止为生产不同航空航天部件如起落架、机身、压缩机盘和叶片、垫片 [6−9] 最常用的方法。然而，铸件存在一些缺陷，如宏观偏析、微观偏析、气孔、凝固收缩和第二相夹杂 [10] 。热处理是常用于改变这类合金材料微观组织以获得期望性能的手段之一。钛合金的性能主要取决于合金元素成分和微观组织。当合金元素成分一定时，其微观组织决定其力学性能。对多数钛合金而言，其力学性能在很大程度上取决于α相的含量和形态 [11−13] 。在α+β相区保温过程中，等轴α相能够对β相起到钉扎作用，抑制β相的长大，提高材料的塑形和抗疲劳特性 [14] ；片层状α相能提高材料的强度和断裂韧性 [15] ；针状α相均匀分布在β基体上，能够起到弥散强化效果 [16] ，通常通过变形和热处理的方式对其组织进行调控，以获得所需组织，满足使用性能。 α+β钛合金的热处理工艺通常为固溶+时效，时效指合金在一定温度下保温一定时间，过饱和固溶体发生脱溶和晶格沉淀产生弥散的析出相。

时效的目的是过饱和固溶体脱溶产生析出相，最终提高合金强度和硬度，是提高力学性能常用的手段 [17] 。TC18 钛合金的时效通常在温度高于350 ℃时进行，此时，第二相α有较好的形核位置 [18] 。然而，现阶段对TC18钛合金的时效处理研究较少。权浩等 [19] 研究了锻轧TC18棒材双重固溶热处理下的组织结构，发现经过近β热处理的样品组织为三态组织或网篮组织，其中，初生α相的晶粒尺寸和形态受到高温固溶温度的控制，随着二次固溶温度提高，基体上析出的次生α相弥散度提高，且有呈合并长大的趋势。AHMED等 [20] 采用五因素四水平正交试验研究了固溶保温温度、保温时间、冷却方式、时效保温温度和保温时间对TC18钛合金组织和力学性能的影响，发现在固溶冷却速度越大、时效温度越低时弥散析出的细针 α体积分数越高，强度提升；固溶温度越低、时间越长、冷却速度越小，等轴α相和晶界α相体积分数越大、尺寸也越大，塑性提升，采用热加工和单级时效工艺、两段高温热变形使晶界α破碎，产生等轴α相以及高密度晶内位错，在时效过程中为次生α相提供形核位点。HE等 [21] 研究了表面激光重溶后TC18的低温热处理过程中辅助相和硬度，发现纳米尺寸薄层可在低温时效阶段由一些α初始相聚集形成。

目前，人们对于铸态TC18钛合金的时效工艺研究较少，同时对时效方式、保温温度、时间、冷却方式缺乏系统研究。为此，本文研究单级时效热处理对铸态TC18钛合金组织与力学性能的影响，以便为β或近β钛合金的时效工艺及影响机理提供参考。

1、 实验

1.1　实验原料

实验采用的TC18钛合由湘投金天钛业有限公司提供，其化学成分(质量分数)如表1所示。

1.2　实验过程与方法

按照GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验》标准对现有TC18铸锭进行电火花线切割，拉伸样示意图如图1所示。

首先，打磨去除氧化层，用石英管对拉伸样进行 密 封 。 然 后 ， 对TC18合金进行固溶处理(solution treatment，ST)，将封装样品放入箱式炉中，以10 ℃/min速率升到780 ℃，放入样品，保温1 h后取出。对ST样品进行单级时效(STA, solution treatment and aging)的工艺，参数如表2所示。

在美国Instron 3369力学试验机上对TC18合金样品进行室温拉伸试验，在相同条件下进行5次拉伸试验，结果取取平均值。

测量断裂前后截面积，由下式得到断面收缩率：

式中：Z为断面收缩率；A 0 为样品原始截面积；A 1为断后试样截面积。

为观察TC18合金的显微组织，对样品表面进行打磨并抛光。采用 MeF3A 金相显微镜(optical microscope, OM)和FEInano-230扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)对试样微观结构进行表征。采用Nano Measurer软件测定样品OM、SEM图片中α相的形貌参数。为保证结果的准确性，在扫描或金相图片中取20组α片层或晶界α相的宽

度，取平均值。采用 FEI Tecnai F20 透射电镜(transmission electron microscope, TEM)观察 TC18合金显微组织结构。采用Rigaku-3014型XRD衍射仪检测物相结构。

2、 实验结果与讨论

2.1　时效冷却方式对合金拉伸性能的影响

TC18合金ST、STA4和STA5试样的室温拉伸应力−应变曲线见图 2，TC18合金 ST、STA4 和STA5试样的屈服强度 σ 0.2 、抗拉强度 σ b 、断面收缩率Z以及延伸率 δ 见表3。由表3可知：时效处理后样品的屈服强度大幅度提升；水冷的STA4样品屈服强度为1 112.16 MPa，比固溶态的STA4样品屈服强度提高约17%；空冷的STA5试样屈服强度为1 176.07 MPa，比固溶态提升约24%；空冷条件下样品的屈服强度比水冷条件下的高约64 MPa；在塑性方面，相比于固溶态，单级时效空冷条件下小幅度降低，但水冷条件下延伸率从8.34%降至1.27%，塑性大幅度降低。

TC18合金 ST、STA4 和 STA5 的金相图分别见图 3(a)、图 3(b)和图 3(c)，对应的 XRD 图见图3(d)。从图3(a)、图3(b)和图3(c)可知晶界α相长度为毫米级，腐蚀后可见清晰的晶界，晶界交汇处多为Y型；图3(b)和图3(c)中存在魏氏体组织处的晶界呈曲折状。由图3(d)可知：STA5样品主要由 α和β相组成，主衍射峰为(101)α；STA4样品主要由α、β相组成，主衍射峰为(201)α，存在(200)β、(110)β衍射峰；相较于ST，STA5的β相消失，主衍射峰变更为(101)α；STA4主衍射峰变更为(201)α，新增(200)β衍射峰以及其他α衍射峰。

ST、STA4和STA5样品的晶内SEM图像见图4。由图4可知：STA4和STA5的晶内片层α相大量被截断成短棒状，晶内不同取向的片层α相互叠加；相较于ST，STA4和STA5的显微组织中晶内针状α变粗后断裂，其中，STA4发生断裂的晶内 α相数量较多；晶内处出现细纹状组织，可能是次生α相。

TC18合金ST、STA4和STA5样品显微组织中的形貌参数包括晶界α相宽度、晶内片层α相宽度见表4。从表4可见：STA5与STA4相比，晶界、晶内α相宽度更宽；与 ST 的相形貌参数相比，STA4和STA5的晶界α相宽度更小，STA4和STA5的晶内α相宽度更大。

2.2　时效温度和时间对样品拉伸性能的影响

STA1、STA2、STA3和STA5样品的室温拉伸应力−应变曲线见图5，STA1、STA2和STA3样品的屈服强度 σ 0.2 、抗拉强度 σ b 、断面收缩率Z以及延伸率 δ 见表 5。由图 5 可知：与 ST 相比，在450 ℃时效下，STA1和STA2强度大幅度提高，如450 ℃时效4 h后(STA1)，样品的屈服强度从固溶的949.89 MPa 增加至 1 491.53 MPa，提高约 57%，

450 ℃时效8 h后(STA2)，样品的屈服强度从固溶的948.89 MPa 增加至 1 382.6 MPa，提高约 46%，但应力−应变曲线几乎没有塑性平台，延伸率降至0.71%和0.95%。STA3和STA5样品出现塑性平台但强度较低。可见，当TC18合金单级时效保温温度为450 ℃时，随保温时间延长，屈服强度降低，断面收缩率、延伸率提升；当保温温度为600 ℃

时，随保温时间延长，屈服强度、断面收缩率和延伸率均提升；在保温时间相同时，随保温温度提高，屈服强度降低，断面收缩率、延伸率提高。

图 6 所示为 STA1、STA2 和 STA3 的金相和XRD结果。从图6可见：TC18合金单级时效后显微组织中存在针状、长棒状以及短棒状α相；与棒状α相垂直的针状α相在处理过程中发生热运动，使得长棒状α相被截断形成短棒状α相，这些短棒状α相中近等轴状的α相随着保温时间延长逐渐转变为等轴状α相；STA3相较于STA1样品的显微组织中棒状α相宽度更宽。由图 6(d)可知：STA1、STA2和STA3的主衍射峰均为(101)α；STA1的相结构由α相构成；STA2和STA3的相结构由α和β相构成。对比图3(d)中STA5样品的相结构可以发现在现有条件下，单级时效空冷后主衍射峰均为(101)α。STA1和STA5样品的XRD图比较相似，但这2种试样的力学性能完全不同。图6(e)和图6(f)所示分别为TC18合金STA5和STA1样品的室温拉伸断口。由图6(e)和图6(f)可知：STA5样品的断口表面凹凸不平，均匀分布着网状韧窝，属于韧性断裂；STA1样品的断口表面呈大面积解理面，属

于脆性断裂。

TC18合金 STA1、STA2 和 STA3 样品的 SEM图像见图7。结合图4中STA4和STA5样品的SEM图像可知，在 TC18 合金单级时效保温温度为600 ℃条件下，晶界周围和晶内基体中均有细纹 α相分布，而STA1和STA2样品没有出现这种组织。

对于晶界上和魏氏体接触的部分，热处理后晶界组织变细甚至消失，魏氏体组织变粗。在晶界处交汇处出现部分等轴α相。STA3样品的晶内α较STA1样品的晶内α相宽度更大。TC18合金STA1、STA2和STA3样品显微组织中的相形貌参数包括晶界α相宽度、晶内片层α相宽度见表6。从表6可知，在相同温度、不同保温时间下，合金的相形貌参数差距不大；当保温时间为4 h或8 h时，保温温度600 ℃相较于450 ℃的晶界α、晶内α相宽度更大。

2.3　析出形貌的透射电镜分析

当TC18合金单级时效保温温度为600 ℃时，可在晶界附近和晶内处观察到大量细纹组织，如图8(a)所示；当保温温度为450 ℃时观察不到细纹组织，如图8(b)所示。STA5样品的TEM图像见图8(c)。从图8(c)可以发现：片层α相、β相均匀分布，在α、β晶粒内部可以观察到位错，二次析出的α相清晰可见，与基体中的β相呈共格或半共格界面。由于时效时间较长，温度较高，二次析出的α相明显长大。对β相进行衍射斑点标定，得到的结果如图8(d)所示，衍射斑点表明其为体心立方结构，标定衍射斑点的晶带轴为[100]。二次析出 α相整齐排列在初生α之间。由于尺度较大，这种二次析出α相的出现及分布可能影响合金变形中位错的运动，降低强度，提升塑性。

2.4　时效处理的组织结构与力学性能的关系

在不同时效处理条件下，TC18合金的屈服强度和延伸率见图9。从图9可见：空冷时，晶内片层和晶界处α相宽度较大；在保温时间相同、时效温度为450 ℃时，TC18合金的强度、硬度更高，但塑性降低；在相同热处理温度下，当时效温度为450 ℃时，延长保温时间，TC18合金抗拉强度降低，延伸率变化不大；而当时效温度为600 ℃时，延长保温时间，合金抗拉强度提高，延伸率也有所提升；TC18 合金在相同温度下单级时效后，当时效温度为450 ℃时，延长保温时间导致晶内α相宽度变大；当时效温度为600 ℃时，延长保温时间，晶界α相宽度变小，晶内α相宽度变大。

这符合晶界α相和晶内α相宽度对合金力学性能的影响规律。

不同条件下晶内α宽度与抗拉强度的关系以及晶界α宽度与延伸率的关系见图10。600 ℃时效时出现次生α相，导致力学性能不能简单地由晶内和晶界α相宽度这2个参数描述。由图10可知：在出现次生α相之前，ST、STA1、STA2样品中抗拉强度随晶内α相宽度增大而减小，延伸率随晶界α相宽度增大而增大；出现次生α相后的STA1和STA3

以及STA2和STA5样品也同样符合这一规律。然而，对于均存在次生α相的STA3和STA5样品，抗拉强度随着晶内α宽度增加而增加，延伸率随着晶内α宽度增加而减小，其原因可能是延长保温时间导致次生α相发生较大变化。

3、 结论

1) 铸态TC18钛合金时效后的强度较固溶态有所提升，但塑性降低。

2) 时效冷却方式对TC18合金塑性影响较大，空冷较水冷塑性强；与600 ℃时相比，低时效温度(450 ℃)下TC18合金的强度较高，塑性较低；与450 ℃时相比，在高时效温度(600 ℃)下延长时效保温时间，TC18合金的强度和塑性均有所提升。在现有单级时效条件及600 ℃-8 h-AC条件下，TC18合金塑性最强但强度较低，综合力学性能较好；在450 ℃-4 h-AC条件下，TC18合金抗拉强度最高达1 492 MPa，但延伸率最低。

3) 铸态TC18合金抗拉强度随晶内α宽度增大而减小，延伸率随晶界α宽度增大而增大。在600 ℃-8 h-AC条件下，在TC18合金中发现次生 α相整齐排列在初生α之间。这种次生α相的出现及分布可能影响了合金变形中位错的运动，降低了合金强度，增大了合金塑性。

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