固溶工艺对Ti12LC合金组织性能的影响

侯智敏, 赵永庆, 张鹏省, 毛小南, 尹雁飞, 李思兰

(1．西北有色金属研究院 钛合金研究所，陕西 西安710016)(2．西北工业大学材料学院，陕西 西安710072)

1 前 言

钛合金可广泛应用于各种武器装备，包括军用飞机、航空发动机、导弹、各种舰艇、核反应堆、轻型火炮和装甲车辆等[1-4]。钛合金的广泛应用对于降低军用飞机的结构质量系数，提高航空发动机的推重比，减轻武器装备的质量，提高装甲防护性能，延长使用寿命，提高核反应堆安全性和可靠性，提高舰艇搜索、发现和跟踪能力等都具有重要的作用。然而，长期以来成本太高，这一制约钛合金应用的主要问题一直都没有从根本上得到解决，因此低成本钛合金及其制备技术成为目前重要的研究热点[5-7]。

西北有色金属研究院研制的Ti12LC低成本钛合金，由于采用廉价的FeMo中间合金取代昂贵的V和Zr等合金元素，其原料成本与TC11相比降低10%以上[8]，且该合金的力学性能优于TC11。由于性能及成本上的优势，其完全可以替代TC11进行广泛的推广应用[9]。前期的研究工作，特别是针对热处理工艺对强韧性匹配的影响规律缺乏深入研究和讨论[10]。本文对Ti12LC合金进行两种不同工艺的固溶+时效热处理，分析了固溶工艺参数对合金显微组织、室温拉伸性能及冲击韧性的影响，优化了合金的强韧性匹配工艺，希望推动该合金的进一步应用。

2 实验材料与方法

首先通过3次真空自耗熔炼制备了φ420 mm 吨级铸锭，然后采用逐级降温的方法进行开坯锻造及改锻，最终在两相区锻成φ170 mm的棒材，棒材的锻态组织见图1。如图1所示，合金的显微组织由初生α相、细小次生α相及β基体组成。初生α相含量为23%，大部分初生α相呈等轴α，也有部分是岛状的长条状α相，初生α相的直径/宽度约为5 μm。差式扫描量热法(DSC)测得合金Tβ转变温度为895 ℃。实验用热处理试样采用电火花线切割方法从φ170 mm棒材1/2R处切取。对样品进行不同工艺的固溶+时效热处理，分析其对组织及力学性能的影响，具体的热处理工艺见表1。组织分析通过OLYMPUS/PMG3光学显微镜(OEM)进行，金相试样抛光后，采用HF+HNO3+H2O (体积比1∶3∶10)腐蚀液浸蚀。试样力学性能测试在Instron 1185力学试验机上进行。

图1 Ti12LC合金φ170 mm棒材锻态组织Fig.1 The microstructure of Ti12LC alloy bar as-forged

No.Heat treatment parameters1#850 ℃×1 h/AC+540 ℃×6 h/AC2#800 ℃×1 h/AC+540 ℃×6 h/AC3#880 ℃×1 h/FC+540 ℃×6 h/AC4#880 ℃×1 h/FC+800 ℃×1 h/AC+540 ℃×6 h/AC

3 实验结果与分析

3.1 固溶工艺对合金显微组织的影响

3.1.1 单重固溶工艺对合金显微组织的影响

图2为Ti12LC合金经不同工艺单重固溶后的金相组织。与锻态组织相比，单重固溶后初生α相有等轴化趋势，组织更加均匀，细小的次生α球消失，β基体上的细板条状α相隐约可见。850 ℃高温固溶后，初生α相尺寸变化不大，球化明显，初生α相含量稍有减小，约为19%，见图2a。800 ℃固溶后，初生α相尺寸有一定的增加，相含量增加，约为25%，见图2b。与高温固溶后的组织相比，低温固溶后α相球化效果没有高温固溶明显，但β基体上的次生α相更加清晰。

图2 Ti12LC合金经1#(a)和2#(b)热处理工艺后的金相组织Fig.2 Metallographs of Ti12LC heat treated with 1#(a) and 2# (b)

3.1.2 双重固溶工艺对合金显微组织的影响

合金在880 ℃高温固溶炉冷后，初生等轴α相尺寸稍有增加，大量次生条状α相析出，厚度约为2 μm，见图3a。一定厚度的条状α相析出有利于改善合金的韧性，但是慢的冷却速率会导致α相的过析出，引起时效强化效果的急剧恶化。合金经高温预固溶+二次低温固溶后，初生等轴α相尺寸及相含量均变化不明显，条状次生α相尺寸减小，相含量下降明显，见图3b。但是与单重低温固溶处理后的合金组织相比，次生α相厚度增加明显，相含量大幅增加。

图3 Ti12LC合金经3#(a)和4#(b)热处理工艺后的金相组织Fig.3 Metallographs of Ti12LC heat treated with 3#(a) and 4# (b)

3.2 固溶工艺对合金力学性能的影响

表2为Ti12LC合金经不同工艺热处理后的室温拉伸性能及冲击韧性。可以看出，单重固溶+时效处理后，较高的固溶温度可以使合金获得更好的时效强化效果，从而获得更高的强度，但是塑性及韧性较低。降低固溶温度可以改善合金的塑性及冲击韧性，但对冲击韧性改善并不明显。采用1#工艺热处理后，金相组织中只有约20%的初生α相和大量细小的次生α相弥散分布在β基体中，时效强化效果明显，由于次生α相非常细小，导致合金的冲击韧性较差。与1#工艺相比，采用2#工艺低温固溶后，初生α相含量及尺寸均有一定的增加，次生α相尺寸明显增加，导致时效强化效果减弱。虽然初生α相的强化效果有一定的增加，但整体表现为强度大幅下降，塑性明显增加。由于只有少量小尺寸条状次生α相析出，因此，合金冲击韧性改善不明显。

表2 经不同热处理工艺处理后的Ti12LC力学性能

4#工艺热处理后，合金的冲击韧性明显改善，塑性、强度介于1#工艺与2#工艺之间，强塑性匹配较好。与2#工艺相比，相同的最终固溶温度，导致合金的时效强化效果相当；一定厚度的次生α相析出，其起到一定程度的强化效果，但可以明显改善合金的韧性。3#工艺热处理后，虽然次生α相厚度及相含量均明显增加，但炉冷热处理会严重削弱两相钛合金时效强化效果，损害合金的强度[11]，因此并不可取。4#工艺热处理后合金的室温强度还有较大的调整空间，可以通过提高固溶温度，进一步改善合金的塑性及韧性，相关的研究工作有待于进一步开展。

4 结 论

(1)α+β相区单重固溶+时效热处理后，Ti12LC合金的室温拉伸性能随固溶温度的增加而增加，塑性及冲击韧性降低，合金的抗拉强度可以达到1 315 MPa。

(2)α+β相区高温预固溶炉冷+低温固溶+时效热处理后，合金的强度、塑性介于单重高温固溶与低温固溶处理之间，冲击韧性明显改善，达到33.5 J·cm-2，强度、塑性及韧性匹配良好。

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