热处理工艺对TA17 钛合金棒材组织与性能的影响

文/邱岩，张俊杰，韩琛宜，段晓辉，王文波，傅开·宝鸡钛业股份有限公司

本文探究钛合金棒材在热处理下的金相显微组织、力学性能发生的变化。取相同锭号，不同节号的φ60mm 棒材，进行热处理和室温力学性能测试。结果表明：TA17 钛合金棒材经不同温度热处理时，内部组织由等轴α 相+晶间β相共同组成，伴随着热处理过程中温度逐渐升高，初生α 相逐步趋于等轴化，初生α 相含量减少，β相的含量和体积分数逐渐增大。在740 ～780℃时，TA17 钛合金综合力学性能相比其他温度区间较为优秀，实现了强度、塑性和韧性的良好匹配。

TA17 钛合金，其名义成分为Ti-4Al-2V，是一种α 型钛合金，具有低合金化的特点。其性能主要表现为：屈服强度约达到650MPa，中等强度钛合金，较好的热稳定性、焊接性能和耐腐蚀性能，比强度高、耐高温。因此常广泛运用在航空航天、化工、能源等领域。

从力学性能的角度观察，合金的性能表现主要决定于其加工工艺、化学成分、对微观组织的热处理。当化学成分一定时，加工过程和热处理制度是影响其组织和性能的关键。目前，国内已有学者对TA17 钛合金板材制定了系统化的热处理流程，并分析热处理下对其性能、组织的影响；并对钛合金板材进行不同的热处理制度，研究其组织和性能的关系。但目前尚缺乏热处理对钛合金棒材的性能、组织影响研究。本研究基于不同温度下的热处理试验，探究热处理制度对TA17 钛合金棒材组织和性能的影响，进一步了解热处理对钛合金棒材的性能、组织影响，也为进一步优化钛合金棒材的生产工艺、成品研发、工业应用提供借鉴支持。

试验材料及方法

试验材料

本试验采用的是由宝钛集团有限公司生产的，经真空自耗电弧炉二次熔炼的φ696mmTA17钛合金铸锭，经过β 区开坯锻造后两相区(α+β)锻造加两相区精锻机径向锻造等工序得到的φ60mm 棒材。本试验所用试样取自棒材头部中心位置，取样方式为线切割取样。化学成分见表1。

表1 化学成分(质量分数，%)

试验方法

TA17 钛合金棒材热锻加工结束之后，从其上取下大小均等试样，然后使用不同的热处理温度对其进行试验，热处理制度如下：700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃，在进行持续1.5h的温度保持后，进入空冷。各试样热处理后，分别测试各试样力学性能,观察显微组织。在力学性能测试的拉伸试验中，依据GB/T 228.1-2021 标准在材料万能试验机上进行拉伸测试。试验环境温度12℃、环境湿度32%。冲击性能试验按GB/T 229-2020 标准，在材料万能试验机上进行测试，试验环境温度13℃，试验湿度33%。

在Axiovert 200 mat 金相显微镜上观察组织，试验环境温度15℃，环境湿度35%。金相腐蚀剂采用体积配比为7%HF+23%HNO3+70%H2O 的混合液。试验过程符合GB/T 5168-2020 标准。

结果与分析

显微组织分析

TA17 钛合金棒材原始组织是细晶粒球状组织，合金在整个加热过程中，铸态合金经锻造变形，粗大的柱状晶和等轴晶被破碎，并沿变形方向被拉长。

试样在不同温度下热处理并保温相同时间1.5h，然后空冷其组织形貌如图1 所示，白色区域为初生α 相，黑色为β 相且多数存在于晶界处。在加热至700℃时，组织形貌为初生α 相和晶界β 相构成，见图1(a)。随温度上升，TA17 钛合金的显微组织由细晶粒和粗晶粒球状α 相+晶界β 相构成，且不难发现部分晶粒的形状向规则的多边形转变，这是因为随着温度的升高，金属为使其界面自由能最小，变形组织所具有的不规则晶界转变为几何形状规则的多边形晶界。经过回复和再结晶过程，部分小角度晶界β 相减少，由针状转变为多边形状，大角度β 相晶界增加并最终转化形成等轴晶。

图1 不同温度热处理的TA17 金相图

由图1 可得，逐步升高热处理温度将导致初生α 相的体积分数递减、β 相体积分数递增，α 相晶粒尺寸增大、细晶粒β 相增多，这是由于合金元素的波动，在β 相稳定元素富集的区域，α 相率先转变为β 相，当温度升高至800℃，TA17 钛合金中出现次生α 相，随着热处理温度上升至840℃，次生α 相体积分数增大，这是因为随着温度的升高，β相中的最大固溶度升高，β 相中固溶了大量的α 相稳定元素，在空冷过程中，α 相稳定元素超过了其在β 相中的最大固溶度，α 相稳定元素和β 相稳定元素分离富集，最终导致次生α 相析出。

室温力学性能

不同热处理温度对TA17 钛合金棒材力学性能的影响如图2 所示，在不同的热处理温度下，TA17 钛合金的力学性能有所变化。表2 为试验所得力学性能数据。从700℃开始，随着温度上升，抗拉强度上升，但温度上升至760℃以上抗拉强度开始减小，尤其是热处理温度达到800℃后，材料的抗拉强度降低到730MPa，此时继续提升温度会小幅提高抗拉强度。不同热处理温度下屈服强度的变化表现与之相似，在超过760℃时减小，在超过820℃后有小幅提高。在整个热处理温度区间断面延伸率变化不大。如图2所示，在700 ～760℃区间内冲击性能逐渐升高，在760 ～800℃区间内冲击韧性下降，800 ～840℃区间内冲击性能又升高。所以，在740 ～780℃之间，强度与塑性的匹配最好。

图2 不同热处理温度对TA17 钛合金棒材力学性能的影响

表2 试验所得力学性能数据

结束语

⑴TA17 钛合金随着温度升高，β 相的含量和体积分数增大。

⑵钛合金棒材进行不同温度热处理时，其棒材的显微组织由等轴球状α 相+晶间β 相构成，初生α 相随热处理温度上升而减少。

⑶热处理温度在740 ～780℃范围时，可以实现强度与塑性、韧性匹配最好，热处理所获得的棒材综合力学性能表现最佳。所以最佳的热处理制度为(740 ～780℃)×1.5h/AC。