热处理制度对TA22 钛合金锻件显微组织和力学性能的影响

文/韩琛宜，周娜，邱岩，郑鹏飞，葛金余，段晓辉·宝鸡钛业股份有限公司

本文研究了不同的热处理制度对TA22 钛合金锻件显微组织和力学性能的影响。经过4 种热处理制度后，对TA22 钛合金的显微组织、力学性能进行分析研究。结果表明：随着固溶温度从910℃升至940℃，初生α 相含量及晶粒尺寸显著降低，片层状次生α 相略微增厚，室温抗拉强度先增大后降低，塑性得到改善。受影响最明显的是其冲击性能，在固溶温度为930℃时，冲击达到峰值。在920℃～930℃时强韧性匹配最佳，得到的TA22 钛合金锻件具有最优的综合力学性能。

TA22 钛合金是二十世纪八九十年代我国自主研制的一种近α 型中强、高塑、可焊、耐蚀的钛合金，该合金的化学名义成分为Ti-3Al-1Mo-1Zr-1Ni。TA22 钛合金集优良的强度、高的塑性、良好的加工性和优异的耐蚀性于一体，可长期用于海洋盐雾环境中，因此在舰船、海洋工程上有广泛的应用前景。本文分别研究了不同热处理制度下TA22 钛合金锻件的显微组织形貌，并通过分析组织形貌对合金室温拉伸以及冲击性能的影响，进一步分析不同的热处理制度对该合金组织和性能的影响，以便为TA22 钛合金的应用和生产提供理论依据和技术支持。

试验材料与方法

试验材料

试验选用我公司经两次VAR 熔炼生产的TA22 钛合金铸锭，铸锭直径为700mm，其化学成分见表1。经金相法测定，其相变点在940℃～950℃之间。

表1 试验用TA22 钛合金铸锭化学成分(质量分数，%)

试验方法

在TA22 锻件的同一位置切取试样，选用910℃～940℃不同温度进行固溶处理之后，再进行820℃×2h AC 的再结晶退火见表2。对热处理后的试样分别进行室温拉伸，冲击性能测试以及显微组织观察。其中室温拉伸按照GB/T 228.1-2021 标准在Instron 5885 电子万能材料试验机上进行，室温冲击按照GB/T 229-2020 标准在JNS-300 摆锤式冲击试验机上进行，采用V 形缺口。显微组织观察按照GB/T 5168-2008 标准要求在Axiovert 200 MAT 光学显微镜上观测，金相腐蚀剂采用体积配比为7%HF+23%HNO3+70%H2O。

表2 4 种TA22 合金热处理制度

试验结果及讨论

热处理对TA22 合金显微组织的影响

TA22 钛合金锻件原始组织为α+β 相，其中α相多，β 相少。经不同热处理制度处理后的显微组织如图1 所示，可以看出：不同热处理制度下的显微组织均为α+β 两相加工组织，组织分布均匀，不同的是在初生α 相含量、晶粒尺寸大小以及次生α片层形态上均有所差异。随着固溶温度从910℃上升至940℃，组织中初生α 相含量逐渐降低见表3，初生α 相晶粒尺寸也明显减小，这是因为温度升高，初生α 相稳定性降低，溶解的更加充分。固溶温度为910℃时，TA22 钛合金显微组织中分布着等轴程度较好的α 相，由于锻件取样位置，呈轻微的排列取向性，初生α 相为55%，β 相中存在少量的次生α 相；固溶温度升为920℃时，出现呈拉长的条状α 相，这是因为随着固溶温度升高，晶粒呈长大趋势，总体初生α 相降低为45%；固溶温度升至930℃，经再结晶退火后，析出β 相，初生α 相含量持续降低为40%；固溶温度至940℃时，α 相大量溶解，只剩余少量球状α 相分散在β 相晶界间，初生α相含量骤减为10%。

图1 不同热处理制度的TA22 钛合金锻件显微组织

表3 不同热处理制度的TA22 钛合金锻件的初生α 相含量

热处理对TA22 合金力学性能的影响

表4 为经不同热处理制度处理后TA22 合金锻件的室温拉伸性能结果，图2 为各项力学性能变化趋势图。

图2 不同热处理温度下TA22 合金锻件的强度拉伸及冲击性能

表4 不同热处理制度下TA22 钛合金锻件的力学性能

从表4 中可以看出，经4 种热处理之后该锻件检测的室温抗拉强度均高于590MPa，屈服强度在490MPa 以上，高于标准值较多。固溶温度由910℃逐渐提升至940℃，该合金的室温抗拉强度呈现出先增长后降低的趋势，而塑性一直提升。当固溶温度为920℃时，抗拉强度上升至最高，可达717MPa；之后，随着固溶温度继续上升至930℃，室温抗拉强度又下降约15MPa 左右，屈服强度也呈下降趋势。对应图1中显微组织，这是由于随着固溶温度的升高，α 相溶解度增大，经过820℃再结晶退火后，出现针状的次生α 相，次生α 片层相界面随之增加，因此室温抗拉强度、屈服强度都得到了轻微的改善。但当固溶温度超过920℃并最终升至940℃时，析出β 相大幅提升，α 相含量骤减，组织中相比例发生急剧变化，抗拉强度、屈服强度均降低。随着固溶温度的升高，原始粗大的初生α 相溶解断开，降低了位错滑移距离，提升了塑性变形协调能力，使得材料的塑性得以上升。且β 相含量高、体心立方结构对合金塑性变形有利。

值得关注的是，随着固溶温度的提升，该合金的冲击性能发生了较大幅度的变化。当该合金经过910℃×1h AC ＋820℃×2h AC 热处理之后，TA22合金冲击吸收功为94J，当固溶温度提升至930℃时，TA22 合金冲击吸收功提高了约40J，冲击性能达到峰值。固溶温度继续提升至940℃时，冲击吸收功下降至89J，但相比标准考核值，仍然有一定的富余量。这是由于当固溶温度从910℃升高并经过再结晶退火后，针状的次生α 相含量增多，随着热处理温度的升高，形变畸变能释放再结晶晶粒增多，次生α 相长大，相界面增多，双态组织在冲击过程中相界面对裂纹的发展起到了良好的阻碍作用，室温冲击功随之增大。但当固溶温度超过930℃后，TA22 合金内部的晶界析出物开始明显增加，尺寸也逐步增加，最终成为连续状态。这种在晶界处形成的Ti-Ni 硬脆相会显著降低冲击失效过程中的裂纹萌生能力，并进而损害到冲击性能。

结束语

TA22 钛合金锻件热处理后为均匀的(α+β)组织，随着固溶温度的升高，初生α 相含量、α相晶粒尺寸明显下降。随着固溶温度从910℃升至940℃，TA22 合金锻件的室温抗拉强度、冲击性能均出现峰值；其中冲击性能受固溶温度影响最大，在930℃时冲击功可达到133J。经(920℃～930℃)×1h AC ＋820℃×2h AC 热处理后，锻件的强韧性匹配最好，可在提高抗拉强度的同时提高冲击韧性，得到的TA22 钛合金锻件综合力学性能最优。