TC18钛合金准β锻锻件热处理工艺试验研究

郑永灵 张 华 沙爱学 王世宏 王庆如

(1.中航工业贵州安大航空锻造有限公司，贵州561005；2.中航工业北京航空材料研究院，北京100095；3.北京航空航天大学，北京100191)

TC18钛合金是一种高合金化结构件用钛合金钢。其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。该合金具有高强度、高韧性、高塑性、淬透性好和可焊接等优点，在大型承力件上得到广泛应用。

本试验研究的目的在于掌握热处理制度对TC18钛合金准β锻锻件组织性能的影响规律，以利于TC18钛合金准β锻锻件的热处理制度在实际生产过程中的应用，确保锻件组织性能满足技术条件的要求。

TC18属过渡型(β稳定化系数为1.2)的α+β钛合金，为达到其高强度、高韧性的目的，其主要的热处理方式是时效，它是通过β固溶体的分解而获得的。高强度取决于两个因素，即可时效的β相的数量及时效中析出的强化相的数量。这两个因素又取决于合金化程度及热处理状态。而高韧性虽主要取决于锻造工艺，但热处理工艺也对其有很大的影响。由于TC18合金的成分稍高于临界浓度，因此，它具有高的淬透性，能防止在热变形及热处理后的冷却中发生固溶体分解，这就使得合金的组织性能易于控制；另一方面，由于该合金的成分在临界浓度附近，因而导致合金时效时的相变相当复杂。对于TC18来说，标准的热处理制度是分级(复杂)退火时效制度。

为掌握TC18钛合金变形及热处理共同影响下的显微组织的形成与变化，有必要研究该合金在经β区开始变形而结束于α+β相区的组织性能与热处理制度的关系。经β区开始变形而结束于α+β相区的组织性能的特点是具有高韧性。即这种工艺形成了具有高的断裂韧度KIC及抗疲劳裂纹扩展能力的组织类型。

1 试验用料与方法

1.1 试验用料

试验用料为经准β锻造的锻件。

1.2 试验方法

由于TC18钛合金标准热处理制度为：

820～850℃保温(1 h～3 h)，炉冷至750℃保温(1 h～3 h)，空冷+500～650℃保温(2 h～6 h)，空冷。

因此，我们进行了不同固溶温度及不同时效温度试验：

(a)选取820℃及850℃固溶，经610℃时效的热处理试验。试验结果见表1及图1。

(b)选取835℃固溶，分别经570℃和650℃时效的热处理试验。试验结果见表2。

2 试验结果分析

2.1 不同固溶温度对组织性能的影响

从表1的试验结果与图1的显微组织照片可以看出，提高固溶温度，初生 相增粗，且比例减少，β相比例增加，故相应强度略有增加，塑性和断裂韧度则有所下降。因此固溶温度不宜太高。

固溶温度愈高，冷却固定下来的亚稳定相数量愈多。时效强化的细弥散α相析出增加。故瞬时强度有所增加。

2.2 时效温度对TC18钛合金组织及性能的影响

表2为TC18钛合金准β锻锻件两种时效温度下的力学性能试验数据。

时效的主要目的是控制次生 相形态和析出量。时效温度不同，次生α相的大小和数量不同，造成强度、塑性和韧性也不同。

TC18钛合金的时效硬化速率很快，硬化效应很强：570℃时效的力学性能与650℃时效的力学性能相比，随着时效温度的上升，强度明显下降。650℃时效后，强度已特别低，说明合金已处于过时效状态。

TC18钛合金锻件通常采用二次固溶加时效，也称为分级退火或复杂退火，即820～850℃加热后炉冷至750℃保温一定时间后空冷，随后于500～650℃时效(2～6)h。固溶处理的目的是通过再结晶完全消除锻压变形的影响，以获得均匀的显微组织，并为时效处理作组织上的准备。

从表2可以看出，TC18钛合金力学性能受时效温度变化的影响远远超过固溶温度的影响。故可通过调整时效温度得到所需的强度、塑性和断裂韧度匹配。

表1 不同固溶温度的力学性能测试结果Table 1 The test results of mechanical properties of different solvus temperatures

(a)820℃固溶 (b)850℃固溶图1 不同固溶温度下TC18钛合金显微组织Figure 1 The microstructure of TC18 titanium alloy under different solvus temperatures

表2 不同时效温度的力学性能测试结果Table 2 The test results of mechanical properties of different time effect temperatures

3 结论

(1)固溶温度对TC18钛合金的显微组织及室温力学性能有一定的影响。提高固溶温度，虽强度有所升高，但塑性和断裂韧度则有所下降，因此固溶温度不宜太高。

(2)TC18钛合金力学性能受时效温度变化的影响远远超过固溶温度的影响。可通过调整时效温度得到所需的强度、塑性和断裂韧度匹配。

[1] 李兴无，马济民，等.XX和XX发动机残骸材料与热工艺分析，2001，184-189、194-205.