再次热处理对TC4-DT钛合金板材组织及性能的影响

谢英杰，付文杰，周玉川，陈钧伟，王蕊宁，张 清

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

再次热处理对TC4-DT钛合金板材组织及性能的影响

谢英杰，付文杰，周玉川，陈钧伟，王蕊宁，张 清

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

经β退火后的TC4-DT钛合金板材，其强度未达到AMS 4905标准要求。为此，在β单相区和α+β两相区分别又进行了固溶(冷却方式分别为空冷和水冷)加时效处理。观察了经不同工艺热处理后板材的显微组织，并对其室温拉伸性能、断裂韧性进行了测试分析。结果表明，再次热处理后板材组织未发生明显改变。与空冷态相比，水冷后的次生α更细小。与原始β退火相比，水冷后板材的拉伸强度、屈服强度增加约70 MPa,同时断裂韧性略有减小，延伸率略降至8.5%。经再次热处理后，板材的强度和断裂韧性均达到标准要求。

钛合金；再次热处理；显微组织；力学性能

0 引 言

钛及钛合金因质轻、比强度高而广泛用作航空承力构件。随着破损-安全设计概念和损伤容限设计准则的建立,航空器选材判据发生了变化[1-3]。这促进了高强、高损伤容限(高断裂韧性、低裂纹扩展速率)钛合金的开发[4-6]。TC4-DT钛合金是一种损伤容限型钛合金，与普通TC4钛合金相比，它对成分控制更严格，如O含量低(≤0.13%)、Al及V的含量范围窄。研究表明，TC4-DT钛合金的力学性能受显微组织及氧含量影响强烈。如β晶粒尺寸及形状、α片层形貌等，为了获得所希望的片层组织，常用的工艺方法是在α+β两相区加工后、在β相变点温度以上进行热处理或在β相区完成塑性变形[7-9]。而TC4-DT钛合金力学性能对氧含量尤为敏感，应严格控制。若氧含量过高，则断裂韧性不合的风险大增；而氧含量太低，对于厚度达到50 mm或以上的板材，经β退火处理后可能会产生强度过低而达不到标准要求，断裂韧性则裕量充足的现象。对于这类板材能否通过再次热处理，使断裂韧性略有下降同时强度较大幅度提高，以满足相关标准要求，有待于通过热处理工艺摸索和实际验证。

为此，本实验从β退火处理后强度不满足标准要求的TC4-DT钛合金厚板上取样，进行不同工艺制度的β单相区和α+β两相区再次热处理试验，研究再次热处理对TC4-DT钛合金组织和性能的影响，探讨使这类板材达到相关标准要求的处理方法。

1 实 验

实验材料为力学性能不符合AMS 4905标准要求的TC4-DT钛合金板材，其主要的化学成分(w/%)为：Al 5.90～6.30，V 3.90～4.30，O 0.07～0.11。采用金相法测得相变点Tβ=(970±5) ℃。该板材的加工过程为：真空自耗熔炼的铸锭(直径720 mm)经锻造后，在α+β两相区轧制到90 mm厚，空冷至室温，然后进行995 ℃×1 h/AC+730 ℃×2.5 h/AC的β热处理(固溶加时效处理)。

表1为TC4-DT钛合金板材经初次β处理后的室温拉伸性能及断裂韧性。可以看出，板材的塑性及断裂韧性良好，满足AMS 4905标准要求，但其室温拉伸强度及屈服强度均略低于标准要求。为了提高板材强度使之满足标准要求，且同时保持塑性尤其是断裂韧性基本不降低，从已β退火的TC4-DT钛合金板材上取样，在β单相区和α+β两相区分别进行了再次热处理，具体的工艺制度如表2所示。

表1 TC4-DT钛合金板材初次β热处理后的拉伸性能及断裂韧性

表2 TC4-DT钛合金板材的再次热处理工艺

Table 2 Re-heat treatment processes of TC4-DT titanium alloy plate

对再次热处理后的板材进行力学性能测试，其中横向室温拉伸试验采用φ5 mm标准试样，断裂韧性测试采用C-T试样(厚度30 mm)。拉伸性能检测设备为Instron-1185 材料试验机。采用光学显微镜OLYMPUS MPG3观察热处理后板材的显微组织，采用JSM6460扫描电镜观察拉伸试样的断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 再次热处理对显微组织的影响

TC4-DT钛合金板材热轧后及初次β热处理的组织分别如图1和图2所示。可以看出，板材热轧态组织为典型的α+β两相区变形组织，由等轴α、长条α和β转组成；而且组织已充分破碎、细化，等轴α的平均大小为25～30 μm。而经初次β热处理后，显微组织由片层状魏氏体及晶间α组成。

图1 TC4-DT钛合金板材的热轧态组织Fig.1 Microstructure of hot-rolled TC4-DT titanium alloy plate

图2 TC4-DT钛合金板材初次β热处理后的显微组织Fig.2 Microstructure TC4-DT titanium alloy plate after the first β annealing

图3为TC4-DT钛合金板材再次热处理后的显微组织。可以看出，不论是在β单相区还是α+β两相区进行再次热处理后，板材的显微组织未发生显著改变，均由片层状魏氏体及晶间α组成；其差异主要在于晶界α和片层α的大小及片层宽度不同。与初次β退火后的组织(图2)相比，经工艺1再次β热处理后，晶界α和片层α更细小,见图3a。而在α+β两相区再次热处理后，随着冷却速度的增加，次生α数量增多,见图3b～c；与工艺1相比，工艺2和工艺3的α片层更宽。

图3 TC4-DT钛合金板材再次热处理后的显微组织Fig.3 Microstructures of TC4-DT titanium alloy after re-heat treatments

2.2 再次热处理对力学性能的影响

表3为板材经再次热处理后的力学性能。其中，表中数值均为每组两个试样测试结果的平均值。

表3 再次热处理后TC4-DT钛合金板材拉伸性能及断裂韧性

Table 3 Tensile and fracture toughness properties of TC4-DT titanium alloy after re-heat treatments

对比表3与表1可以看出，经再次热处理后，TC4-DT钛合金板材的强度提高、塑性及断裂韧性降低。按工艺1 再次β热处理后，试样的性能变化最小，强度略有提高(提高22～25 MPa)，与标准要求相比，富余量仅约20 MPa；延伸率和断裂韧性略有降低，分别为10.5%、102 MPa·m1/2。 由于α+β两相区再次热处理后，次生α片层的增多有利于强度的提高，因而与工艺1相比，工艺2和工艺3的板材强度的提高幅度更大。而由于固溶后空冷使α片层长大、变宽，这将引起强度降低，因而工艺2板材的性能与工艺1的基本相当，强度略有增加，塑性和断裂韧性变化不大。由于比工艺2获得了更多的次生α且α片层更加细小，因而工艺3的强度增加最多，约为70 MPa；其塑性较低，为8.5%，但仍然满足标准要求；而断裂韧性为100 MPa·m1/2，富余量较大，比标准要求高出约10%。

2.3 断口形貌

经SEM观测后，发现初次β热处理和3种再次热处理后的拉伸试样断口形貌基本一致，其典型形貌如图4所示。图4a为拉伸试样断口的宏观形貌，可以看出，整个断口由光滑表面及粗糙表面组成。这表明按上述工艺退火后的试样，断裂方式包括两种，分别是沿晶断裂和穿晶断裂。图4b为拉伸试样断口的微观形貌，可以看出，在粗糙表面上可观测到塑性韧窝、孔洞，这表明断裂机制是微孔聚合模式。而大量塑性韧窝、孔洞的存在说明发生了典型的穿晶断裂。而在光滑表面，可观测到微剪切滑移带的存在，这表明断裂机制是沿晶断裂模式。而且在剪切带之间还分布着一些小韧窝，为典型的韧性断裂特征[10]。

图4 拉伸试样的断口形貌Fig.4 Fracture morphology of tensile fracture surface

3 结 论

(1) 对于经β退火处理后强度过低而达不到标准要求，但断裂韧性裕量充足的TC4-DT钛合金厚板，可以通过β单相区或α+β两相区再次热处理的方法使其性能满足标准要求。

(2) 采用α+β两相区再次热处理(工艺3)，固溶后冷却方式为水淬，TC4-DT钛合金板材获得了最佳的综合性能匹配，强度和断裂韧性均达到标准要求。

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[3]Yu Yang,Hui Songxiao,Ye Wenjun,et al.Mechanical properties and microstructure of anα+βtitanium alloy with high strength and fracture toughness[J].Rare Metals，2009，28(4)：346-349.

[4]Lütjering G.Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α+β) Titanium alloys[J].Material Sciences and Engineering A，1998，243：32-45.

[5]Wanhill R J H.Ambient temperature crack growth in Titanium alloys and its significance for aircraft structures[J].Aero-nautical Journal,1977,81: 68-82.

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[7]Li Shikai,Xiong Baiqing,Hui Songxia.Effects of cooling rate on the fracture properties of TA15 ELI alloy plates[J].Rare Metals，2007，26(1): 33-38.

[8]李辉，赵永庆，曲恒磊，等.损伤容限型TC4-DT合金疲劳裂纹扩展速率的数学描述[J].钛工业进展，2007，24(4): 31-34.

[9]张旺峰,曹春晓,李兴无,等.β热处理TA15钛合金对力学性能的影响规律[J].稀有金属材料与工程,2004,33(7):768-770.

[10]马英杰，刘建荣，雷家峰，等.多重热处理对TC4合金的组织和力学性能的影响[J].材料研究学报,2008,22(5):555-560.

国内外新闻

Effects of Re-heat Treatment on Microstructure and Mechanical Property of TC4-DT Titanium Alloy Plates

Xie Yingjie,Fu Wenjie,Zhou Yuchuan,Chen Junwei,Wang Ruining,Zhang Qing

(Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi’an 710201，China)

The tensile properties ofβannealed TC4-DT titanium alloy plates could not meet the standard requirements, so solution and aging treatment in singleβphase region andα+βphase region were performed. The microstructure, room-temperature tensile properties and fracture characteristics under different treated conditions were investigated. The results show that the microstructure of the samples after re-heat treatment has no remarkable changes. Compared to that of the samples by the air cooling, the refiner secondaryαis attained by water cooling. The tensile strength and yield strength of the samples by water quenching increase by about 70 MPa compared with the originalβannealed samples, whereas the fracture toughness slightly decreases, and the elongation is 8.5%. Thus the good performance matching is achieved.

titanium alloy；re-heat treatment；microstructure；mechanical property

2015-01-19

陕西省科技统筹创新工程计划资助项目(2012KTZB

谢英杰(1976—)，男，高级工程师。

01-03-04)