退火制度对TA19 钛合金大规格棒材组织和性能的影响

张 哲，何春燕，郭 征，冯 辉

(西部金属材料有限责任公司，陕西 西安 710065)

1 前 言

热处理是金属材料最重要的物理冶金过程之一，也是工业上控制和改变金属材料组织、结构和性能的重要手段。退火是热处理工艺中的一种。由于退火后的晶粒尺寸对材料性能有着直接影响，随着工业技术的发展以及工业生产对金属材料性能需求的不断提高，生产金属材料过程中的退火工艺已远远不再局限于在传统的软化金属和保证一定晶粒尺寸方面发挥作用，它已成为金属材料实现特殊而复杂性能状态的重要手段。现代工业要求退火不仅能软化冷变形金属，保证晶粒尺寸，而且还要实现对金属材料的晶粒形状、晶粒取向分布以及特殊各向异性性能的调整和控制［1］。

TA19 钛合金名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，属近α 型钛合金。具有高强度、高韧性和良好的抗蠕变性能，主要用于制作航空发动机的压气机盘、叶片和机匣等［2］。本实验研究了不同退火制度对TA19 钛合金大规格棒材显微组织和力学性能的影响，旨在优化TA19 钛合金的热处理制度，以便为实际生产中TA19 棒材的工业化热处理提供参考。

2 实 验

实验所用材料为经过3 次真空自耗电弧熔炼制备的φ640 mm 的TA19 铸锭，其化学成分(见表1)符合GB/T 3620.1 标准要求。采用差热分析法测得合金的相变点温度为1 012 ℃。将铸锭在β 相区加热开坯锻造后，经β 相区、α +β 相区多火次锻造、精锻，最终在α +β 相区(锻造温度970 ℃)锻造成为φ250 mm 的棒材。

依据该铸锭的相变点温度，分别选用6 种不同的双重退火制度对热加工态棒材进行热处理。双重退火制度如下:第一阶段退火温度分别为890、915、940、965、990、1 035 ℃，保温1 h，空冷;第二阶段退火温度均为550 ℃，保温8 h，空冷。在退火处理后的棒材上切取金相试样和拉伸试样，用光学显微镜观察显微组织。在计算机上通过M178 -110331金相分析软件分析组织中的晶粒尺寸及α 相含量。在万能拉力试验机上测试力学性能。

表1 TA19 钛合金铸锭化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA19 titanium alloy ingot

3 结果与讨论

3.1 显微组织

图1 为φ250 mm 棒材原始状态的金相组织。从图1 中可以看到典型的两相区加工组织为由白色α相和黑色基体β 相组成的等轴组织。

图1 TA19 钛合金棒材断面的原始组织Fig.1 Microstructure in cross-section of original TA19 titanium alloy bar

棒材经不同退火制度处理后的显微组织如图2 所示。从图中可以看出，TA19 钛合金在890 ～915 ℃进行退火时，由于温度较低，与β 相转变温度相差较大，退火处理后显微组织的类型和初生α 相含量与加工态相比变化不明显(图2a、b);在940 ～990 ℃退火时，随着热处理温度的升高，初生的等轴α 相(白色)逐渐球化，晶粒尺寸有所增大，含量随着退火温度的升高有所减少，且由于该温度处于α-β 两相区上部温区，β 相(黑色)在冷却过程中开始转变组织。同时转变β 晶粒尺寸逐渐增大，由初生的等轴态转化为等轴α+β 转变的双态组织(图2c ～e)。热处理温度达到1 035 ℃时(相变点以上)，等轴α 相完全消失，形成完全由转变β 组成的层片状魏氏组织(图2f)。图3 为通过金相软件分析得到的TA19 合金棒材经过不同温度热处理后的α 相含量以及晶粒尺寸。可以看出热处理温度通过影响热处理过程中α 相向β 相的相转变行为进而得到不同的组织形态。

图2 退火制度对TA19 钛合金显微组织的影响Fig.2 Effect of annealing temperature on microstructure of TA19 titanium alloy

图3 TA19 钛合金棒材经不同温度热处理后α 相含量及晶粒尺寸Fig.3 The content of primary α phase and grain sizeof TA19 titanium alloy bar after different heat treatment

3.2 力学性能

锻态及双重退火后棒材的室温拉伸性能如表3所示。由表3 所见，在890 ～915 ℃之间双重退火，随着固溶温度的升高，材料的抗拉强度和屈服强度升高，延伸率和断面收缩率变化不明显。在940 ～990 ℃之间双重退火，随着固溶温度的升高，材料的抗拉强度和屈服强度逐渐下降，延伸率和断面收缩率逐渐升高。这是因为随着固溶温度的升高，基体发生了充分的再结晶过程，晶粒明显长大，α 相含量明显减少，β 相含量明显增多。当固溶温度升高到β 转变温度以上时，抗拉强度、屈服强度和伸长率、断面收缩率明显下降。这是由于高温下形成了晶粒粗大且晶界明显的魏氏组织，所以断裂时可能发生沿晶断裂，塑性明显下降［3］。室温拉伸性能测试结果表明，TA19 钛合金棒材经过(940 ～990)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC 热处理后获得的等轴组织和双态组织的室温拉伸性能比魏氏组织的好。

表3 TA19 棒材经不同固溶温度热处理后的室温力学性能Table 3 Mechanical properties of the TA19 bar after heat treatment with different solution temperature

4 结 论

(1)热处理条件对初始组织为等轴组织的TA19钛合金的组织形态和力学性能有很大的影响，调节热处理温度，可以控制相变得到不同的组织(等轴、双态和魏氏组织)及力学性能。

(2)TA19 钛合金棒材组织随退火温度的升高逐渐由等轴组织转变为双态组织，经(940 ～965)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC 热处理后获得等轴组织，经(965 ～990)℃×1 h/AC +550 ℃×8 h/AC 处理后，获得双态组织。

(3)TA19 钛合金棒材的较佳热处理制度为(940～990)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC，经该制度处理后力学性能较好。

［1］庞继明，李明利，李明强，等. 退火温度对TA1 钛管材组织和性能的影响［J］. 钛工业进展，2011，28(2):26-28.

［2］Wood R A ，Favor R J. 钛合金手册［M］. 刘静安，吴煌良，姚毅，译. 重庆:科学技术文献出版社重庆分社，1983:55.

［3］王蕊宁，杨建朝，吕利强，等. 不同热处理工艺对工业TC4 合金板材组织和性能的影响［J］. 钛工业进展，2010，27(6):27 -29.