热处理制度对于TC6 钛合金显微组织和性能的影响

欧笑笑，傅 开，蔡东颖，宋蕊池，段晓辉，王丽瑛，周 娜

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）

TC6 钛合金是一种综合性能良好的马氏体型（α+β）两相钛合金，其名义成分为Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si。该合金主要用于制造飞机压气机叶片、涡轮盘等重要零部件和一些承力构件，可以在400-450℃的条件下长期工作，具有很广泛的应用前景。TC6 钛合金中含有α 稳定元素Al、同晶形β 元素Mo 和共晶形β 元素Cr、Fe 和Si，可通过热处理有效强化和提高合金的力学性能[1，2]。

目前，TC6 钛合金热处理方式主要有普通退火和等温退火两种，等温退火高温区冷却过程又分为随炉冷却和转炉冷却两种方式。本文主要研究等温退火中的随炉冷却和转炉冷却两种方式，以及转炉时间对其显微组织、室温及高温性能的影响，从而进一步明确热处理制度对TC6 钛合金显微组织和力学性能的影响规律，以便为实际生产提供更多数据依据。

1 实验

实验采用经三次VAR（真空自耗）熔炼的Ф720mm 的TC6 钛合金铸锭，其化学成分如表1 所示。经金相法测定，本次实验用TC6 钛合金棒材的β 转变温度为981℃。

表1 TC6 钛合金铸锭的化学成分（wt%，质量分数）

铸锭在加热保温后，经开坯锻造和多火次中间锻造，最终经机加后得到Ф150mm 成品棒材。棒材热锻态的显微组织如图1所示。可以看出，TC6 钛合金棒材热锻态的组织为典型的等轴组织，在β 基体上均匀的分布着颗粒状或短棒状的初生α 相，晶内存在少量的次生α 析出相。本次实验选用6 种不同的热处理方式对试样进行热处理，具体热处理制度见表2。

图1 TC6 钛合金棒材的R（热锻）态显微组织

表2 TC6 钛合金棒材等温退火工艺

试样坯经上表6 种方案热处理之后，分别对其显微组织、室温拉伸及高温拉伸性能进行检测，分析和研究不同的热处理制度对TC6 钛合金棒材显微组织和力学性能的影响。

2 实验结果与讨论

2.1 热处理制度对显微组织的影响

经表2 所列的6 种热处理制度处理后，棒材的显微组织如图2 所示。可以看出，经几种方案热处理后，棒材的显微组织仍然为等轴组织，只是在相的比例和形态上具有一定的差异。其中，图2a）较其他图的α 相含量明显偏多，即随炉冷和转炉冷两种方式相比，随炉冷后组织中的α 相要多于转炉冷的α 相含量。分析后认为，这是因为随炉冷的过程冷却速度极为缓慢，致使整个冷却时间较长，在缓慢的冷却过程中，棒材中的次生α相析出较多，并在缓慢的冷却过程中不断的增厚长大，甚至存在部分次生α 相相互融合球化的现象。因此，从显微组织上是增加了α 相的总含量。而转炉冷却时，因为是直接将试样放入低温炉中，相比随炉冷过程，在第一重热处理后转炉冷却的速度快、时间短，转炉后组织中的次生α 相析出和长大增厚的时间均有限，次生α 相仍为层片状，因此，显微组织看起来与热锻态的差异不大。

对比图2b）～f）可以看出，等温退火的转炉时间对显微组织形貌有一定的影响。当转炉时间为30s 时，初生α 含量几乎与锻态相当，但原β 基体上析出较多的次生α 相发生了明显的溶解现象，因转炉时间较快，冷却过程较短，因此组织中未析出大量次生α 相，具体见图2b）；当转炉时间为2min 时，初生α 与锻态相比较含量略有减少，β 基体上析出大量针状的次生α 相，具体见图2c）。分析认为，此时相当于2min 的空冷过程，冷却速度较快，形成了亚稳定的β 相，试样坯在未完全冷却的过程中又再次被加热，相当于增加了第一重热处理的冷却过程，在后续的低温时效过程中亚稳定的β 相发生溶解，析出针状的次生相，α 含量有所降低。但当转炉时间为5min 时，由于第一重热处理后的试样基本已经完全冷却，且试样坯的冷却速度较快，因此β 基体上未发现明显的析出α相。此时再延长转炉时间也对组织形貌无较大影响，具体见图2d）、e）和f）。

图2 不同热处理后的TC6 钛合金棒材的显微组织

2.2 热处理制度对力学性能的影响

一般情况下，α 与β 的比例、α 相的形貌和大小决定着合金的性能[3]。由图3 可以看出，随炉冷a)、转炉冷b)两种热处理方式相比而言，转炉冷却后强度增加，塑性差异不大。由于随炉冷却时，β 相中的次生相的析出较多，初生α 相的含量较高，次生α 相片层较厚，合金的强度主要取决于α 和β 两相的晶粒大小，所以强度较低。而转炉冷却时的初生α 相含量虽与随炉冷却的相当，但由于冷却速度快，次生α 相析出较少，层片较薄，使合金得到强化[4]；而等轴状的α 相可以协调金属变形，提高塑性[5]。因此虽然强度增加，但其塑性并未发生较大改变。

随着转炉时间的延长，棒材强度会先增强后降低，延伸率会先降低后增加。在转炉时间为5min 时室温强度和400℃高温强度均达到峰值，具体见图3。之后随着转炉时间的延长，强度逐渐减小，延伸率逐渐增加，达到一定程度后不再改变。转炉过程相当于在等温退火时有了一定时间的空冷，由于此时冷却速度较快，在这一过程中会形成亚稳定的β 相。当转炉的时间较短时，亚稳定的β 相含量较少，在后续的低温时效过程中亚稳定的β 相会发生溶解，析出次生相，合金得到强化；但随着空冷时间的进一步延长，亚稳定的β 相含量增加，时效过程中先溶解的次生相晶粒会逐渐长大，使合金的抗拉强度有所降低，延伸率有所增加，但此时强度仍然大于随炉冷却时的强度。

图3 不同退火制度后的力学性能对比

3 结论

（1）TC6 钛合金在等温退火时，炉冷后析出的次生α 相片层较厚，转炉后析出的次生α 相为短棒状和等轴状。

（2）棒材等温退火时，转炉相比炉冷的室温及高温抗拉强度提高，延伸率有所降低。

（3）随着转炉过程时间的延长，合金的抗拉强度先升高后降低，延伸率先降低后升高，在转炉时间为5 分钟时，合金有较好的强度与塑性的匹配。