退火制度對TA19 鈦合金大規格棒材組織和性能的影響

張 哲，何春燕，郭 征，馮 輝

(西部金屬材料有限責任公司，陜西 西安 710065)

1 前 言

熱處理是金屬材料最重要的物理冶金過程之一，也是工業上控制和改變金屬材料組織、結構和性能的重要手段。退火是熱處理工藝中的一種。由于退火后的晶粒尺寸對材料性能有著直接影響，隨著工業技術的發展以及工業生產對金屬材料性能需求的不斷提高，生產金屬材料過程中的退火工藝已遠遠不再局限于在傳統的軟化金屬和保證一定晶粒尺寸方面發揮作用，它已成為金屬材料實現特殊而復雜性能狀態的重要手段。現代工業要求退火不僅能軟化冷變形金屬，保證晶粒尺寸，而且還要實現對金屬材料的晶粒形狀、晶粒取向分布以及特殊各向異性性能的調整和控制［1］。

TA19 鈦合金名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，屬近α 型鈦合金。具有高強度、高韌性和良好的抗蠕變性能，主要用于制作航空發動機的壓氣機盤、葉片和機匣等［2］。本實驗研究了不同退火制度對TA19 鈦合金大規格棒材顯微組織和力學性能的影響，旨在優化TA19 鈦合金的熱處理制度，以便為實際生產中TA19 棒材的工業化熱處理提供參考。

2 實 驗

實驗所用材料為經過3 次真空自耗電弧熔煉制備的φ640 mm 的TA19 鑄錠，其化學成分(見表1)符合GB/T 3620.1 標準要求。采用差熱分析法測得合金的相變點溫度為1 012 ℃。將鑄錠在β 相區加熱開坯鍛造后，經β 相區、α +β 相區多火次鍛造、精鍛，最終在α +β 相區(鍛造溫度970 ℃)鍛造成為φ250 mm 的棒材。

依據該鑄錠的相變點溫度，分別選用6 種不同的雙重退火制度對熱加工態棒材進行熱處理。雙重退火制度如下:第一階段退火溫度分別為890、915、940、965、990、1 035 ℃，保溫1 h，空冷;第二階段退火溫度均為550 ℃，保溫8 h，空冷。在退火處理后的棒材上切取金相試樣和拉伸試樣，用光學顯微鏡觀察顯微組織。在計算機上通過M178 -110331金相分析軟件分析組織中的晶粒尺寸及α 相含量。在萬能拉力試驗機上測試力學性能。

表1 TA19 鈦合金鑄錠化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA19 titanium alloy ingot

3 結果與討論

3.1 顯微組織

圖1 為φ250 mm 棒材原始狀態的金相組織。從圖1 中可以看到典型的兩相區加工組織為由白色α相和黑色基體β 相組成的等軸組織。

圖1 TA19 鈦合金棒材斷面的原始組織Fig.1 Microstructure in cross-section of original TA19 titanium alloy bar

棒材經不同退火制度處理后的顯微組織如圖2 所示。從圖中可以看出，TA19 鈦合金在890 ～915 ℃進行退火時，由于溫度較低，與β 相轉變溫度相差較大，退火處理后顯微組織的類型和初生α 相含量與加工態相比變化不明顯(圖2a、b);在940 ～990 ℃退火時，隨著熱處理溫度的升高，初生的等軸α 相(白色)逐漸球化，晶粒尺寸有所增大，含量隨著退火溫度的升高有所減少，且由于該溫度處于α-β 兩相區上部溫區，β 相(黑色)在冷卻過程中開始轉變組織。同時轉變β 晶粒尺寸逐漸增大，由初生的等軸態轉化為等軸α+β 轉變的雙態組織(圖2c ～e)。熱處理溫度達到1 035 ℃時(相變點以上)，等軸α 相完全消失，形成完全由轉變β 組成的層片狀魏氏組織(圖2f)。圖3 為通過金相軟件分析得到的TA19 合金棒材經過不同溫度熱處理后的α 相含量以及晶粒尺寸。可以看出熱處理溫度通過影響熱處理過程中α 相向β 相的相轉變行為進而得到不同的組織形態。

圖2 退火制度對TA19 鈦合金顯微組織的影響Fig.2 Effect of annealing temperature on microstructure of TA19 titanium alloy

圖3 TA19 鈦合金棒材經不同溫度熱處理后α 相含量及晶粒尺寸Fig.3 The content of primary α phase and grain sizeof TA19 titanium alloy bar after different heat treatment

3.2 力學性能

鍛態及雙重退火后棒材的室溫拉伸性能如表3所示。由表3 所見，在890 ～915 ℃之間雙重退火，隨著固溶溫度的升高，材料的抗拉強度和屈服強度升高，延伸率和斷面收縮率變化不明顯。在940 ～990 ℃之間雙重退火，隨著固溶溫度的升高，材料的抗拉強度和屈服強度逐漸下降，延伸率和斷面收縮率逐漸升高。這是因為隨著固溶溫度的升高，基體發生了充分的再結晶過程，晶粒明顯長大，α 相含量明顯減少，β 相含量明顯增多。當固溶溫度升高到β 轉變溫度以上時，抗拉強度、屈服強度和伸長率、斷面收縮率明顯下降。這是由于高溫下形成了晶粒粗大且晶界明顯的魏氏組織，所以斷裂時可能發生沿晶斷裂，塑性明顯下降［3］。室溫拉伸性能測試結果表明，TA19 鈦合金棒材經過(940 ～990)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC 熱處理后獲得的等軸組織和雙態組織的室溫拉伸性能比魏氏組織的好。

表3 TA19 棒材經不同固溶溫度熱處理后的室溫力學性能Table 3 Mechanical properties of the TA19 bar after heat treatment with different solution temperature

4 結 論

(1)熱處理條件對初始組織為等軸組織的TA19鈦合金的組織形態和力學性能有很大的影響，調節熱處理溫度，可以控制相變得到不同的組織(等軸、雙態和魏氏組織)及力學性能。

(2)TA19 鈦合金棒材組織隨退火溫度的升高逐漸由等軸組織轉變為雙態組織，經(940 ～965)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC 熱處理后獲得等軸組織，經(965 ～990)℃×1 h/AC +550 ℃×8 h/AC 處理后，獲得雙態組織。

(3)TA19 鈦合金棒材的較佳熱處理制度為(940～990)℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC，經該制度處理后力學性能較好。

［1］龐繼明，李明利，李明強，等. 退火溫度對TA1 鈦管材組織和性能的影響［J］. 鈦工業進展，2011，28(2):26-28.

［2］Wood R A ，Favor R J. 鈦合金手冊［M］. 劉靜安，吳煌良，姚毅，譯. 重慶:科學技術文獻出版社重慶分社，1983:55.

［3］王蕊寧，楊建朝，呂利強，等. 不同熱處理工藝對工業TC4 合金板材組織和性能的影響［J］. 鈦工業進展，2010，27(6):27 -29.