锻造工艺和时效处理对TC10钛合金组织和性能的影响

秦桂红，严 彪，计 波，吴英彦，陆 伟

(1.同济大学，上海 201804)(2.宝钢特钢有限公司，上海 200940)

0 引 言

TC10钛合金名义成分为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，是在Ti-6Al-4V合金基础上添加较多β相稳定元素V及其他调节元素而形成的一种典型α+β双相钛合金[1-3]。由于其优异的力学性能、耐热性能(可在400 ℃以下长期使用)、较好的抗氧化性、耐蚀性和焊接性能，被广泛应用于飞机机身、火箭发动机、核反应堆部件以及石油勘探用油井管等部件[4-5]。与Ti-6Al-4V合金相比，TC10钛合金增加的β相稳定元素极大地改善了其热处理特性，退火态强度超过了Ti-6Al-4V合金，同时也可通过固溶时效热处理达到更高的强度。由于α+β钛合金的性能与α相和β相的相对含量及形貌密切相关，而棒材的组织则与锻造工艺和热处理制度密不可分[6-9]。因此， 为得到综合性能良好匹配的TC10钛合金棒材，研究了热变形工艺和时效温度对组织和力学性能的影响规律，以期为石油勘探用油井管等提供优质坯料。

1 实 验

实验材料采用宝钢特钢生产的φ508 mm TC10钛合金铸锭。铸锭经过2次真空自耗熔炼，其化学成分如表1所示。通过金相法测得合金相变点为930 ℃。

表1 TC10钛合金铸锭的化学成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TC10 titanium alloy ingot

TC10钛合金铸锭经过A、B 2种不同锻造工艺加工成φ130 mm棒材。其中，工艺A：铸锭→单相区2次墩拔→相变点附近2次墩拔→两相区2次换向墩拔→两相区2次拔长→径锻机锻至φ130 mm；工艺B:铸锭→单相区2次墩拔→相变点附近2次墩拔→两相区2次单向墩拔→两相区2次拔长→径锻机锻至φ130 mm。分别从2种工艺获得的棒材端部沿横向和纵向截取金相试样和拉伸试样，采用蔡司AXIOPLAN2金相显微镜观察显微组织，采用Zwicke Z-150万能试验机测试拉伸性能。对比2种工艺制备的棒材的力学性能，选取性能较优的棒材在马弗炉中进行875 ℃×2 h/WC固溶处理，然后分别在510、550、560、600 ℃进行保温6 h的时效处理。从时效处理后的棒材上截取金相试样和拉伸试样，进行组织观察和拉伸性能测试。

2 结果与分析

图1为2种不同锻造工艺得到的棒材锻态金相照片。从图中可以看出，铸锭的原始粗晶组织得到了很好的破碎，原始晶界不复存在，棒材组织由初生α相、α′相和残余β相组成，属于典型的α+β双态组织。采用工艺A生产的棒材组织以等轴初生α相为主，并且均匀性较好，且横向组织与纵向组织差别不大，只是纵向组织中初生α相含量稍多，这跟照片拍摄视场有关。而工艺B生产的棒材组织中条状α相较多，横向和纵向组织差别较大，纵向组织初生条状α相和次生条状α相具有明显的方向性。

TC10钛合金棒材锻态室温拉伸性能如表2所示。可以看出，采用工艺A生产的棒材纵向性能和横向性能差别不大，说明棒材的各向异性较小。采用工艺B生产的棒材纵向与横向拉伸性能差别较大，纵向性能明显优于横向性能，这主要是因为工艺B得到的棒材的组织均匀性差，横向组织与纵向组织差别较大。工艺B得到的棒材组织中α相以条状为主，条状α相对强度贡献较大，但不利于塑性性能。

图1 采用不同锻造工艺生产的TC10钛合金棒材金相照片Fig.1 Metallographs of TC10 titanium alloy bars produced by different forging processes:(a)process A,transverse; (b)process A, longitudinal; (c)process B, transverse; (d)process B,longitudinal

Table 2 Tensile properties of TC10 titanium alloy bars with different forging processes

图2为工艺A得到的TC10钛合金棒材在875 ℃固溶处理后再经不同温度时效处理后的金相照片。固溶处理会使部分初生α相溶解转变为β相，因此初生α相数量(见图2)与锻态组织(见图1)相比明显减少。固溶过程中形成的亚稳定β相在时效时会转变成次生α相，时效温度较低时，亚稳定β相转变为细小弥散的次生α相。随着时效温度的升高，次生α相逐渐增多并聚集长大，当温度达到560 ℃时，次生α相数量达到最大，且形状呈细小的短棒状，如图2c所示。当时效温度进一步升高时，次生α相不断长大变粗，部分析出的α相已与初生α聚集在一起(图2d)，强化作用减弱。这点与TC4钛合金的组织变化相似[9]，但由于TC10钛合金相比TC4钛合金的β稳定元素较多，其固溶时效组织以β相为主。

图2 工艺A得到的TC10钛合金棒材经不同温度时效处理后的金相照片Fig.2 Metallographs of TC10 titanium alloy bars by process A after aging at different temperatures：(a)510 ℃； (b)550 ℃；(c)560 ℃；(d)600 ℃

时效温度对TC10钛合金棒材力学性能的影响如图3所示。从图中可以看出，棒材的抗拉强度随时效温度的升高先迅速降低再逐渐升高，当时效温度达到560 ℃时抗拉强度达到最小值。延伸率和断面收缩率随时效温度的变化是先升高后降低，在560 ℃时延伸率和断面收缩率达到最高值。时效温度较低时，组织中析出的弥散细小α相和β相混合物对基体具有很好的强化作用，因此抗拉强度较高。但随着时效温度的提高，析出相逐渐长大，强化作用逐渐减弱，在560 ℃时强度达到最低，之后抗拉强度随时效温度升高而升高，这是因为析出的弥散细小的α相进一步长大并与初生α相发生聚集，有利于强度的提高。而延伸率和断面收缩率的变化规律与抗拉强度的变化规律正好相反。强度和塑性是一对对立的指标，当时效温度较低时，析出的细小弥散α相和β相混合物分布在晶界，阻碍了位错滑移，塑性较低。随着时效温度升高，细小弥散的析出相进一步长大，形成新的晶界，晶粒进一步均匀化，塑性提高，在560 ℃时塑性最佳。当时效温度超过560 ℃时，组织进一步粗化，塑性变差。时效温度为550 ℃时棒材可以获得良好的综合力学性能。

图3 时效温度对TC10钛合金棒材力学性能的影响Fig.3 Effect of aging temperature on mechanical properties of TC10 titanium alloy bars

3 结 论

(1)采用工艺A获得的TC10钛合金棒材组织均匀性好，且性能的各向异性小；工艺B获得的棒材组织均匀性差，且性能的各向异性大。

(2)TC10钛合金棒材的抗拉强度随时效温度升高先降低后升高，而塑性则随时效温度升高先升高后降低。

(3)TC10钛合金棒材经875 ℃×2 h/WC+550 ℃×6 h/AC热处理可以获得良好的综合力学性能。

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