冷热循环处理对TC18钛合金力学性能和尺寸稳定性的影响

朱增辉，胡生双，杨 平，王文博，史春玲，欧阳德来

(1.航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，陕西 西安 710089)(2.南昌航空大学，江西 南昌 330063)

0 引 言

TC18 钛合金(名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)属于近β型高强钛合金[1]，具有高强度、高塑性、淬透性好和可焊接等优点，经热处理强化后强度可达1 300 MPa以上，是退火态强度最高的钛合金之一[2]。用TC18钛合金代替高强钢，可使飞机关键零件减重15%～20%，而且可通过热处理来获得强度、塑性与断裂韧性的合理匹配，特别适用于制造大型航空器锻件[3]。

目前，针对TC18钛合金的研究主要集中在锻造工艺[4-6]、热处理强化[7-8]、本构模型[9-11]等方面。例如，王晓燕等[12]优化了TC18钛合金等温锻造温度，认为该合金在860 ℃等温锻造时，显微组织为双态组织，强度和塑性达到最佳配合。陈缇萦等[5]获得了TC18钛合金适宜的热加工条件：变形温度为700～850 ℃，应变速率为0.01～0.001 s-1。孟笑影等[13]则研究了热处理工艺对TC18钛合金组织和性能的影响，认为830 ℃固溶并缓冷至750 ℃后空冷，然后在600 ℃时效，TC18钛合金锻件的强度和断裂韧性可得到最佳匹配。随着航空飞行器的发展和对航空结构件精度要求的提高，TC18钛合金作为航空航天领域应用的重要结构材料，对其制造的航空结构件尺寸稳定性提出了更高要求。冷热循环处理是将试样在高温(400 K)下保温一段时间，再在低温下(约80 K)保温一段时间的处理方法[14]。采用冷热循环处理一方面可以提高某些合金的力学性能；另一方面，可以提高合金的尺寸稳定性[15]。这种方法已在钢铁[16]和有色金属(铝合金[17]、铜合金[18]等)材料中获得应用。然而，有关通过冷热循环处理来提高钛合金尤其是TC18钛合金力学性能和尺寸稳定性的文献鲜有报道[14]。为此，对TC18钛合金进行冷热循环处理，研究冷热循环处理对力学性能和尺寸稳定性的影响，为该钛合金构件实际应用中的尺寸稳定性提供一定的参考依据。

1 实 验

实验材料为陕西宏远航空锻造有限责任公司提供的TC18钛合金锻件，其相变点为861 ℃。经过毛坯下料、普通车床粗加工、数控车床精加工和线切割等工序加工制成冲击、断裂韧性、拉伸、圆环开口试样。图1为圆环开口试样的尺寸示意图。

图1 圆环开口试样尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of ring opening specimen

对TC18钛合金试样进行冷热循环处理，即先深冷处理再加热至150 ℃保温3 h，循环多次。其中升降温速率为2 ℃/min，循环处理过程中温度变化至20 ℃时保温30 min，以便使得升降温过程中温度更加均匀。具体的冷热循环处理实验方案见表1。

表1 TC18钛合金冷热循环处理实验方案

Table 1 Cold and heat cycle treatment test plan of TC18 titanium alloy

拉伸性能测试在AG 2501CNE拉伸试验机上进行，冲击性能在JNS-300型冲击试验机上进行，断裂韧性测试在MTS-SANS CMT500试验机上进行，硬度测试在SHBRV-187.5数显布洛维硬度计上进行，断口微观形貌观察与分析在Hitachi S4300扫描电子显微镜(SEM)上进行，微观组织观察与分析在XJP-6A金相显微镜上进行。采用VMS-1510G影像测量仪测量圆环开口试样的两压痕中心间距，根据式(1)计算圆环开口尺寸变化率p，并用之衡量尺寸稳定性。

(1)

式中，L0为圆环开口前两侧压痕中心的间距，L开口后两侧压痕中心的间距。

2 结果与分析

2.1 冷热循环处理对力学性能的影响

图2为TC18钛合金经冷热循环处理后的力学性能。从图2可以看出，与未处理相比，冷热循环处理后TC18钛合金的强度、塑性、断裂韧性及硬度等力学性能基本没有变化，说明冷热循环处理对合金的力学性能基本没有影响。此外，在本实验范围内，冷热循环处理深冷温度和循环处理次数对合金力学性能的影响也不大。

图 2 不同工艺处理后TC18钛合金力学性能测试结果Fig.2 Test results of mechanical properties of TC18 titanium alloy by different thermal-cold cycling treatment

为进一步说明冷热循环处理对合金力学性能的影响，观察和分析不同冷热循环处理工艺条件下TC18钛合金断裂韧性试样宏观断口形貌和拉伸断口SEM形貌，分别如图3和图4所示。宏观断口从右到左分为3个区：最右边黑色区为机械加工缺口；中间白亮区为疲劳裂纹区；最左边为裂纹撕裂区。从图3中可以看出，冷热循环处理对TC18钛合金试样疲劳裂纹区和失稳扩展区特征基本没有影响，说明不同冷热循环处理后合金组织对裂纹的扩展阻力基本是一致的。此外，冷热循环处理后合金拉伸断口均为具有解理特征的韧窝型断口特征，断口表面存在大量的显微孔洞和二次裂纹，整个断口表面粗糙、凹凸不平，失稳扩展区也没有出现明显的放射纹，说明冷热循环处理后合金呈现出良好的阻止裂纹扩展能力和较高的断裂韧性。这与合金断裂韧性测试结果相符合。

图 3 不同工艺处理后TC18钛合金断裂韧性试样的宏观断口形貌Fig.3 Macroscopic fracture morphologies of fracture toughness specimens of TC18 titanium alloy by different thermal-cold cycling treatments:(a)0#; (b)1#; (c)2#; (d)3#;(e)4#;(f)5#;(g)6#;(h)7#;(i)8#;(j)9#

图4 不同工艺处理后TC18钛合金拉伸断口的SEM形貌Fig.4 SEM images of tensile fracture of TC18 titanium alloy by different thermal-cold cycling treatments:(a)0#;(b)1#;(c)2#;(d)3#;(e)4#;(f)5#;(g)6#;(h)7#;(i)8#;(j)9#

从图4可以看出，TC18钛合金拉伸断口形貌中出现了大量均匀分布的网状韧窝，韧窝深度较深，说明合金表现为良好的塑性断裂特征，这与合金拉伸测试时表现出较高拉伸强度(抗拉强度约为1 100 MPa)和塑性(延伸率约为15%)是相吻合的。从不同冷热循环工艺处理合金断口形貌的韧窝大小和数量看，均没有存在明显差别，说明冷热循环处理对合金拉伸性能基本没有影响，这与拉伸测试结果相符。

2.2 冷热循环处理对尺寸稳定性的影响

图5为TC18钛合金经冷热循环处理后的尺寸变化率测试结果。从图5中可以看出，冷热循环处理对合金尺寸稳定性具有显著影响。未冷热循环处理时，合金开口后尺寸变化率相对较大，约为-5.2%。合金经1#、2#、4#、5#、8#工艺冷热循环处理后均比未冷热循环处理圆环的尺寸变化率减小。其中，经4#工艺处理后，尺寸稳定性最好，此时尺寸变化率约为-4.5%，与未冷热循环处理相比降低了13.6%。这说明TC18钛合金在冷热循环过程中产生微塑性变形而降低其内部残余应力，从而增加其尺寸稳定性。而经3#、6#、7#、9#工艺冷热循环处理后反而比未冷热循环处理圆环的尺寸变化率增大。其中经3#工艺处理后，尺寸变化率最大，约为-5.7%，与未冷热循环处理相比增加了9.6%。这说明过低的深冷处理温度反而对合金尺寸稳定性不利，且在过低深冷温度下的保温时间越长，圆环开口尺寸变化率越大，尺寸稳定性越差。这是由于TC18钛合金为α+β型双相合金，其组织中的α相和β相线膨胀系数不同，过低深冷温度和较长保温时间会引起较为严重的晶格畸变，并由晶格畸变所引起的内应力本身超过了材料的屈服强度，反而使材料微观内应力增加，从而导致尺寸变化率增大，降低了合金的尺寸稳定性。值得注意的是，因圆环试样开口后残余应力会立刻释放，故在本实验的所有冷热循环处理条件下圆环开口尺寸变化率随时间延长基本保持不变。

图5 不同工艺处理后TC18钛合金圆环开口尺寸变化率随时间的变化Fig.5 The time-dependent change of the ring dimensional change rate of TC18 titanium alloy at different thermal-cold cycling treatment

3 结 论

(1)冷热循环处理对TC18钛合金的强度、塑性、断裂韧性及硬度等力学性能影响不大，但对尺寸稳定性具有显著影响。

(2)TC18钛合金合金经4#工艺( -120 ℃×24 h，3次)冷热循环处理后，尺寸变化率最小，与未冷热循环处理相比降低了13.6%，而经3#工艺(-180 ℃×36 h，3次)处理后，尺寸变化率最大，与未冷热循环处理相比增加了9.6%。

(3)过低的深冷处理温度反而对合金尺寸稳定性不利，且在过低深冷温度下的保温时间越长，圆环开口尺寸变化率越大，尺寸稳定性越差。