热处理对TA12A钛合金微观组织和力学性能的影响

朱雪峰，彭 晖，樊 凯，丁永峰

(湖南金天钛业科技有限公司，湖南 常德 415001)

0 引 言

综合性能优良的高温钛合金一直是钛合金研究的重点之一[1]。TA12A钛合金是中科院金属研究所在Ti55合金基础上研发的一种高温合金，其名义成分为Ti-5.5Al-3.5Sn-3.0Zr-0.7Mo-0.3Si-0.4Nb-0.4Ta[2]。由于增加了热强元素Ta和Nb，同时去掉了稀土元素Nd，TA12A钛合金的热稳定性与高温持久性能都极其优良，可在550 ℃的高温条件下长期工作，同时具有较好的塑性。因此，TA12A钛合金在航空领域得到了广泛应用，主要用于制造航空发动机压气机盘、鼓筒、叶片等[2-3]。目前，国内外对TA12A钛合金超塑性工艺参数[4]、锻造工艺对组织性能的影响规律[5]等方面开展了相关研究。然而，有关热处理对TA12A钛合金微观组织和力学性能的影响尚缺乏深入研究。

由于钛具有同素异构转变，除了全α型和稳定β型钛合金外，通常为α+β两相共存状态。其中，α相通常表现出3种典型的几何形貌，即等轴状初生α相、片层状次生α相和针状次生α相，且每一种形貌的α相对性能有着不同的影响[6-7]。TA12A钛合金属于近α型钛合金，其组织主要由α相组成，且几何形貌主要有等轴状和片层状2种，调控不同形貌α相之间的相对含量成为了调控其力学性能的重要手段。因此，研究热处理工艺对等轴状初生α相和片层状次生α相之间的相对含量以及力学性能的影响，可以为TA12A钛合金的组织调控提供理论指导。

1 实 验

实验用材料为φ380 mm的TA12A钛合金圆棒锻件，其化学成分如表1所示，原始组织如图1所示。通过金相法测定其相变点为1 009 ℃。由图1可见，TA12A钛合金棒材原始组织主要由等轴状初生α相组成，为典型的等轴组织。从棒材上切取试样并按表2给定的制度进行热处理，通过改变热处理温度和冷却速度来调控等轴状初生α相和片层状次生α相的含量。

表1 TA12A钛合金棒材的主要化学成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TA12A titanium alloy bar

图1 TA12A钛合金棒材的原始组织Fig.1 Microstructure of the as-received TA12A titanium alloy bar

Table 2 Heat treatment processes of TA12A titanium alloy bar

TA12A钛合金试样热处理后，分别进行微观组织观察和室温拉伸性能测试。拉伸试样为φ5 mm的标准拉伸试样。室温拉伸性能测试在UTM5205电子万能试验机上进行。采用Tescan MIRA3场发射扫描电子显微镜(SEM)观察试样组织形貌和拉伸后的断口形貌，腐蚀剂采用配比为V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶50的Kroll试剂。采用Tecnai G2 F20 场发射透射电子显微镜(TEM)观察拉伸试样初生α相和次生α相中的位错。

2 结果与讨论

2.1 热处理对初生α相和次生α相含量的影响

图2为空冷条件下，TA12A钛合金经不同温度热处理后的SEM照片。由图2可以看出，TA12A钛合金在相变点温度以下热处理后，其微观组织都为α+β双相组织，且都有等轴状初生α相存在，但热处理温度对α和β相的含量和形貌影响显著。随着热处理温度的增加，初生α相含量逐渐减少，次生α相含量逐渐增多，且次生α相的厚度逐渐增大。这是因为TA12A钛合金在保温过程中，发生α→β相变。随着热处理温度的升高，更多的α相向β相转变，使得初生α相含量逐渐减少。并且在热处理温度达到1 000 ℃时，初生α相含量急剧减少，其体积分数只有9%(图2f)。此时，初生α相对β晶粒长大的阻碍作用减弱，故β晶粒在1 000 ℃时急剧长大。

保温后冷却过程中，β相向α相发生转变。β相向α相转变存在2种形式，一种是β相向初生α相转变，使得等轴状初生α晶粒发生长大；另外一种是在β相中析出片层状的次生α相。Li等[8]在研究近α型TA19钛合金热处理过程中的组织演变时发现，由于钛合金中α相稳定元素较多，空冷时有利于片层状次生α相形核和长大，所以β相主要向片层状次生α相转变。因此，空冷后TA12A钛合金中的片层状次生α相的含量主要与保温后β相的含量有关。随着热处理温度的升高，保温后β相含量逐渐增多，因此冷却后片层状次生α相含量逐渐增多。且随着热处理温度的升高，元素的扩散能力强，有利于片层状次生α相的长大，因此次生α相的片层厚度逐渐增大。同时，由图2可见，TA12A钛合金组织中初生α相和次生α相含量总和随热处理温度变化较小。

图2 冷却方式为空冷时，TA12A钛合棒材金经不同温度热处理后的SEM照片Fig.2 SEM photographs of TA12A titanium alloy bars heat treated at different temperatures and all with air cooling :(a)900 ℃；(b)920 ℃；(c)940 ℃；(d)960 ℃；(e)980 ℃；(f)1 000 ℃

图3为热处理温度为940 ℃时，不同冷却方式下TA12A钛合金棒材热处理后的SEM照片。由图3可以看出，冷却方式对TA12A钛合金的微观组织影响显著。冷却方式由空冷变为炉冷时，热处理后的TA12A钛合金中主要由大量的等轴状初生α相和少量残余的β相组成，而没有片层状次生α相的存在。这表明炉冷过程中抑制了次生α相析出。这是因为炉冷的冷却速度比空冷的要慢，较慢的冷却速度使得β相在冷却过程中获得的过饱和度较小，从而抑制了次生α相的形核，使得β相向初生α相转变。

图3 TA12A钛合金940 ℃热处理后再经不同方式冷却后的SEM照片Fig.3 SEM photographs of TA12A titanium alloy after heat treated at 940 ℃ then cooled by different ways:(a)AC；(b)FC

2.2 热处理对力学性能的影响

表3给出了热处理后TA12A钛合金棒材的室温拉伸性能。从表3可以看出，本实验对每组热处理试样进行的2次室温拉伸性能测试试结果一致，表明测试数据可靠性高。将表3中C和G热处理制度下热处理后的室温拉伸性能进行比较分析时发现，保温温度为940 ℃时，空冷条件下的抗拉强度更高。由2.1节可知，空冷条件下，TA12A钛合金中析出了片层α相，表明细小的片层α相会产生明显的强化作用。在空冷条件下，当热处理温度在900～980 ℃之间时，TA12A钛合金室温抗拉强度变化不大，约为990 MPa。这是因为虽然随着热处理温度的增加，片层α相增多会产生强化作用，但是等轴状初生α相晶粒和β晶粒发生长大，使得强化作用减弱，因此抗拉强度变化不大。当热处理温度从980 ℃升高至1 000 ℃时，合金强度增加明显，从990 MPa增大到1 020 MPa。这是因为在1 000 ℃时，片层α相大幅度增加，且片层α束域尺寸较小，从而带来了明显的强化作用。

表3热处理制度对TA12A钛合金室温拉伸性能的影响

Table 3 Effect of heat treatment on room temperature tensile properties of TA12A titanium alloy

为了进一步阐明初生α相和次生α相对强度的影响机制，本研究对拉伸后的试样进行了TEM观察。图4为经过980 ℃/AC热处理的TA12A钛合金棒材拉伸后的TEM照片。由图4可见，初生α相和次生α相中都产生了大量的位错，且位错在α/β界面上出现了塞积。这说明，TA12A钛合金室温拉伸变形过程中，初生α相和次生α相都承担着塑性变形。位错塞积是产生强化的重要机制，由于片层α相会产生更多的相界面，因此片层α相增多会产生较强的强化作用。

图4 TA12A钛合金拉伸后的TEM照片Fig.4 TEM images of TA12A titanium alloy after tensile test

从表3还可以看出，随着热处理温度升高，TA12A钛合金塑性有所增大，表明片层次生α相的增多有利于合金的塑性变形。为了进一步了解不同热处理制度下TA12A钛合金的断裂行为，本研究对拉伸断口进行了观察，其典型断口形貌如图5所示。

图5 TA12A钛合金经不同温度热处理后断口的SEM照片Fig.5 SEM photographs of fracture of TA12A titanium alloy heat treated at different temperatures:(a)920 ℃；(b)940 ℃；(c)960 ℃；(d)980 ℃

由图5可以看出，TA12A钛合金的断口均由韧窝构成，表明其断裂方式均为韧性断裂。综合来看，当热处理温度为1 000 ℃、冷却方式为空冷时，片层α相较多，初生α晶粒和片层α束域尺寸较小，其综合性能最佳。

3 结 论

(1)TA12A钛合金保温后空冷过程中会析出次生α相。随着热处理温度升高，初生α相含量逐渐减少，次生α相含量逐渐增大，但初生α相和次生α相总量变化不大。

(2)热处理温度为900 ～980 ℃时，片层α相含量增加产生强化作用，但初生α和β晶粒长大减弱了强化作用，因此该温度区间内强度变化不大。热处理温度升高至1 000 ℃时，片层α相含量急剧增加，使得强度大幅提高。热处理温度升高，次生α相增多，有利于合金的塑性变形。

(3)热处理温度为1 000 ℃、冷却方式为空冷时，片层α相较多，初生α晶粒和片层α束域尺寸较小，合金的综合性能最佳。