热处理厚度对TC25G 钛合金组织和性能的影响

本文采用

260mm 规格的TC25G 钛合金棒材，通过室温拉伸、高温拉伸、室温冲击及金相等多种手段，研究了试样厚度对棒材力学性能和显微组织的影响规律。结果表明：在T

-30℃/2h+AC →560℃/6h+AC 的热处理条件下，由于导热率不佳，随着试样厚度的增加，空冷时棒材心部的保温时间也随之增加，次生α 相粗化，弥散强化效果降低，棒材的室温抗拉强度、室温屈服强度、高温抗拉强度、高温屈服强度及冲击韧性等均呈下降趋势，延伸率和断面收缩率等塑性指标则逐渐上升。随着试样厚度增加，棒材心部高温区范围也随之增大，在坯料的厚度超过100mm后，保温时间均可使棒材的0.25H(H 为试样厚度）和0.5H 处的次生α 相充分析出并粗化，试样的性能趋于一致。

川西北高寒草地位于青藏高原东缘，草地畜牧业是该地区经济发展的支柱产业。但由于川西北高寒草地海拔高，气候寒冷，牧草生长期短，冷季长达8个月，一直以来天然草地牧草供给的季节性不平衡严重制约着草地畜牧业的高效发展[1]。因此，在青藏高原川西北牧区通过人工种草和天然草地打草调制青贮饲料，不仅是解决冬春季节饲草料严重不足的有效措施，同时也是提高畜牧业生产水平的有效手段[2-3]。

TC25G 钛合金是在苏联BT2 合金的基础上调整了Mo、Zr、W 等合金元素的含量，其名义成分为Ti-6.5Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si，属于马氏体型α+β 两相钛合金，具有优异的强度和韧性，已经在航空航天工业获得广泛应用，常被推荐为450 ～550℃使用的压气机轮盘和转子叶片等材料。随着航空工业的发展，为了提高结构效益、延长使用寿命，在新型飞机设计与制造中采用了许多大型整体锻件，也就意味着大的截面厚度。为使TC25G 钛合金大规格锻件整体热处理后的力学性能和显微组织符合Q/1S M 1219-2020《航空用TC25G 钛合金锻件规范》标准的要求，分别选取整体试样厚度为125mm、100mm、75mm、50mm 的棒材进行了热处理试验研究。

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试验材料及方法

试验材料为

260mm 规格的TC25G 钛合金棒材，其原始显微组织如图1 所示。棒材原始显微组织为双态组织，原始β 晶粒被充分破碎，初生α 相形貌呈椭圆形或球形，含量(体积分数，下同）约为25%，尺寸约3 ～20μm，β 转变基体中次生α 相形貌平直成束，并均匀分布于基体之中。采用金相法测定棒材β 相转变温度(T

）为977℃，从棒材上锯切一支

260×180mm 的棒料，按照图2 所示，采用线切割机将该棒材分成厚度分别为50mm、75mm、100mm、125mm 的 试 样， 分 别 标 识 为B1、B2、B3、B4。随后，对这些试样进行以下热处理(T

-30℃/2h+AC →560℃/6h+AC）：T

-30℃装炉，保温2h，出炉空冷(流动空气）；560℃装炉，保温6h，出炉空冷。最后对各不同厚度试样进行力学性能与显微组织检测。

结果与分析

室温力学性能

Q/1S M 1219-2020 规定了需对棒材的高温性能进行检测，因此本文对不同热处理厚度的TC25G试样也进行了400℃的高温性能检测，如表2、图6和图7 所示。随着试样热处理厚度的增加，高温拉伸强度和高温屈服强度表现出了和室温拉伸性能类似的规律。当热处理厚度由50mm 提升至125mm，棒材的0.25H 处高温抗拉强度由912.9MPa 降低至789.55MPa，高温屈服强度则由755.05MPa 降低至631.7MPa。在0.5H 处，其高温抗拉强度由845.2MPa降低至775.95MPa，高温屈服强度则由674.1MPa 降低至652.0MPa。但0.25H 和0.5H 处的合金塑性则呈波动状态，无显著单调上升或下降趋势。此外，当试样的厚度达到100mm 后，0.25H 和0.5H 处的合金高温性能趋于一致，此时两处的高温抗拉强度分别为793MPa 和826MPa，高温屈服强度分别为667.5MPa和655.0MPa，延伸率分别为20.52%和22.42%。

对表1 中室温拉伸的相关数据求均值后，绘制了B1、B2、B3、B4 四组试样在0.25H、0.5H 位置各项性能随热处理试样厚度的演变规律，分别如图3 和图4 所示。从中可见试样在0.25H、0.5H 位置的强度均随其热处理厚度增加而降低。当试样厚度由50mm 增加至125mm，在0.25H 处，其抗拉强度由1139.95MPa 降低至1119.90MPa，屈服强度则由1021.30MPa 降低至1003.45MPa。在0.5H 处，其抗拉强度由1182.25MPa 降低至1109.60MPa，屈服强度则由1049.90MPa 降低至1007.4MPa。与之对应的，棒材的塑性则显著上升，在0.25H 处，其延伸率由11.85% 升高至13.98%，在0.5H 处，其延伸率由11.92% 提升至13.88%。此外，当试样的厚度达到125mm 后，在0.25H 和0.5H 处的合金性能趋于一致，此时两处的抗拉强度分别为1119.9MPa 和1109.6MPa， 屈 服 强 度 分 别 为1003.45MPa 和1007.4MPa，延伸率分别为13.98%和13.88%。

煌绿乳糖胆盐肉汤(BGLB)、结晶紫中性红胆盐琼脂(VRBA)：北京陆桥技术股份有限公司；氢氧化钠(粒)、无水碳酸钠、硫酸铜：天津市东丽区天大化学试剂厂；酒石酸钾钠：天津市科密欧化学试剂有限公司；福林酚：北京索莱宝科技有限公司，以上试剂均为分析纯。

图5 展示了试样在0.25H、0.5H 位置的冲击韧性随热处理厚度的变化规律，从中可以看到，随着试样热处理厚度的增加，棒材的冲击性能呈下降趋势，且同一试样在0.5H 位置的冲击值略高于0.25H。如此处呈下降趋势，可能与时效温度偏低有关。当时效温度偏低时，次生α 相未充分形核，随着保温时间延长，形核数量增加，与之对应的强度上升，塑性下降。

高温力学性能

为了充分反映坯料厚度对合金性能的影响规律，及其由坯料边部至心部的变化情况，在试样块完成热处理后，分别测量了不同试样块在0.25H 和0.5H 位置的室温拉伸和冲击性能。如表1 所示，四支坯料的室温抗拉强度、室温屈服强度、延伸率和断面收缩率等均符合标准要求，且裕量较多，但冲击韧性普遍不符合技术要求。

图8、图9、图10、图11 分别显示了B1、B2、B3、B4 四种不同厚度试样表层、0.25H 和0.5H 处的金相组织，可以看出四个试样的显微组织均由β 转变组织和均匀分布其上的初生α 相构成。初生α 相呈等轴状或碎片状，尺寸约5 ～20μm。次生α 以片层状或细针状形式存在。对比四组试样不同位置的次生α 相形貌与分布，可以发现以下规律：随着样品厚度的增加，样品表层的显微组织变化不大，片层状的次生α 相厚度较小，但在0.25H 和0.5H 处，次生α 相的厚度随试样厚度的增加而增加。此外，在试样厚度为50mm 时，在表层、0.25H、0.5H 等3 处的次生α相尺寸基本一致；当试样厚度达到75mm时，0.25H 处次生α 相未见明显长大，0.5H 处的次生α相已明显粗化；当试样厚度达到100mm 时，0.25H和0.5H 处次生α 相片层均发生了粗化，同时0.5H处的粗化程度进一步增加；当试样达到125mm 厚时，0.25H 和0.5H 处的次生α 相厚度达到最大，且两个位置片层厚度接近。以上规律与合金常温拉伸所显示出的力学性能规律可实现机理性匹配，即次生α 相是合金的主要强化相，试样热处理有效厚度的增加，提升了坯料0.25H 和0.5H 处的保温时间，引起次生α 相的粗化，因此试样的强度随之降低，塑性随之提高。

显微组织

甄选自2016年2月—2018年2月前来我院诊治的膝关节损伤患者200位作为本次分析研究的对象，本次参与研究分析的200例患者在入院后都经过了CT、X线、关节镜和内镜的检测对病情进行了确认，还有手术外科的明确诊断结果。这组患者中男性为136位，女性为64位，年龄分布为19至61岁，平均年龄为35.51±3.26岁，受伤情况为：交通事故导致伤121位，被重物砸伤的58位，跌伤的21位。

结论

本文测试了不同热处理试样的室温拉伸力学性能和高温拉伸力学性能，并对合金的金相组织进行了检测，得到如下结论：

⑴TC25G 合金的淬透性较低，在T

-30℃/2h+AC →560℃/6h+AC 的热处理条件下，本文所涉及的四个规格试样均体现出了0.25H处强度高于0.5H，塑性则相反的现象，与时效温度偏低有关。

⑵随着试样热处理厚度的增加，坯料0.25H 和0.5H 处的强度显著降低，塑性则明显提升，可见热处理厚度对试样的强塑性有显著影响。

⑶当试样厚度达到125mm，坯料0.25H 和0.5H处的室温性能趋于一致，当试样厚度达到100mm，坯料0.25H 和0.5H 处的高温性能趋于一致。