TC4鈦合金在節(jié)能熱處理中的組織演變分析

沈陽航空航天大學（遼寧 110136）康少酺 李 壯 姜 行 吳天宇 于 濤 李朝華

TC4鈦合金的性能往往通過熱處理來提高，利用最短的加熱周期，獲得最佳的性能。Al是鈦合金中的主要合金元素，對提高鈦合金的常溫強度、降低密度、增加彈性模量有明顯的促進作用。Al元素對鈦合金而言，屬于α穩(wěn)定化元素。鈦合金中加入適量Al元素后，可以顯著提高其α/β轉(zhuǎn)變溫度，擴大α相區(qū)。TC4鈦合金的組織變化通常可以通過熱機械工藝過程來實現(xiàn)，Al元素在其組織演變過程中起著重要的作用。

本試驗采用快速升溫、緩慢冷卻、不同溫度下水冷的工藝熱處理，對TC4鈦合金顯微組織、硬度變化對比分析，通過探討Al在TC4鈦合金組織演變過程中的作用，獲得最佳熱處理工藝參數(shù)，以便縮短生產(chǎn)周期，獲得最佳性能，達到節(jié)能減排效果。

1.試驗材料與方法

經(jīng)測定本試驗所用TC4鈦合金中Al含量為5.7%，材料成分如表1所示。

利用電火化數(shù)控切割機床將退火后的TC4鈦合金原料制備成18個10mm×10mm×10mm正方體試樣。取3個試樣為一組在SX-14-14電阻爐中加熱保溫后，以1℃/min的冷卻速率進行冷卻，冷卻至950℃、900℃、850℃、800℃、750℃、700℃時取出水冷，試驗工藝見圖1。用HV－50A維式硬度分析儀測量3個試樣的硬度并取平均值。經(jīng)磨、拋制備成金相試樣,采用腐蝕劑（HF:HNO3:H2O=1:3:5）進行腐蝕，然后用Olympus-BX51金相顯微鏡和FEI 掃描電鏡觀察試樣的組織變化。試驗的目的是為了更好地了解TC4鈦合金不同溫度水冷時的組織演變，以便制定最佳熱處理工藝，縮短熱處理周期，獲得節(jié)能減排效果。

圖1 熱處理工藝曲線

表1 TC4鈦合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.試驗結(jié)果與分析

（1）不同溫度水冷對試樣硬度的影響 圖2為試樣不同溫度水冷過程中硬度變化曲線。由圖2可知，試樣冷卻至900℃取出水冷后硬度值為209HV5，隨著冷卻溫度的降低試樣硬度增大。在800℃取出水冷后硬度達到246HV5的最高值。隨著冷卻溫度的繼續(xù)降低硬度隨之降低，在700℃時硬度降低至230HV5。隨著冷卻溫度的降低，試樣在冷卻過程中硬度變化趨勢為先上升后下降，在冷卻溫度800℃取出水冷后達到峰值。

圖2 硬度隨冷卻溫度的變化

（2）冷卻至不同溫度下的組織變化 由圖2可知，試樣在冷卻溫度降至800℃的過程中硬度值是逐漸增大的，在800℃時硬度達到最高值，當冷卻溫度低于800℃時硬度逐漸降低。在此期間，TC4鈦合金慢速冷卻至不同溫度下水冷的顯微組織也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律，其中冷卻至900℃、800℃、700℃溫度的顯微組織分別如圖3～5所示。

從圖3可見，冷卻到900℃時原始β晶粒很少，晶界α相較多。圖4為冷卻到800℃的顯微組織，圖中出現(xiàn)了等軸α和轉(zhuǎn)變β，晶界有細密傾向，晶粒短小且均勻。在冷卻溫度降至700℃時，從圖5中可以看到試樣組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮钠瑢应料嗪蜕倭喀孪唷?/p>

圖3 900℃水冷的顯微組織

圖4 800℃水冷的顯微組織

圖5 700℃水冷的顯微組織

（3）Al元素在TC4鈦合金相變中的作用 TC4鈦合金在1000℃固溶后慢冷至不同溫度水冷過程中β相向（α+β）轉(zhuǎn)變，過冷度小，晶核首先在晶界形成,并長大成網(wǎng)狀晶界α相。由于Al元素對α相的穩(wěn)定作用，當冷卻到900℃時主要發(fā)生晶界α層形核和析出，少量α片層開始從晶界向晶內(nèi)生長，Al元素促進了晶界處α層的形核；當冷卻到800℃時晶界形核的α片層向晶內(nèi)生長,形成全片層組織，晶界處出現(xiàn)針狀α；隨著水冷溫度降低到700℃時，α相增多并出現(xiàn)初生等軸α相且析出轉(zhuǎn)變β相。

從圖2中可知，試樣硬度在800℃產(chǎn)生轉(zhuǎn)折，在800℃以上水冷，由于α相析出，硬度隨溫度降低而增大，在該溫度以下水冷時，由于轉(zhuǎn)變β相的產(chǎn)生，硬度開始下降。α相粒子尺寸、形狀及體積分數(shù)對合金的硬度有重要影響，Al元素作為TC4鈦合金中的α相穩(wěn)定元素，可強化α固溶體，在試驗中合金自β相區(qū)冷卻，進入兩相區(qū)之后主要的相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?α，α相在晶界形核,并向晶內(nèi)長大。眾所周知，Al的固溶強化作用非常顯著，因Al元素的存在，試樣在冷卻過程中α相的形態(tài)等發(fā)生變化，直接影響了TC4鈦合金硬度的變化。

冷卻溫度在900～1000℃期間，組織基本為β相，晶界中有少量α相析出，α相主要在晶界形核并逐漸向晶內(nèi)長大。也就是說，TC4鈦合金冷卻到兩相區(qū)高溫階段時主要發(fā)生晶界α層形核和析出。隨著溫度的下降，α相體積分數(shù)逐漸增大。已有研究表明，Al的添加會影響鈦合金組織中高密度位錯的分布以及位錯的滑移，個別位錯機制主要取決于Al在鈦合金的含量。當冷卻溫度在800～850℃時，試樣硬度最高，組織最為均勻。當溫度降低800℃以下時，開始產(chǎn)生等軸晶組織，且析出轉(zhuǎn)變β相，組織變的粗大，硬度下降。TC4鈦合金由于Al元素的存在，在緩慢冷卻過程中，很可能有Ti2AlV(O)相和Ti2AlV相的析出，該兩相析出后，隨固溶后冷卻溫度的降低而長大，對TC4鈦合金的硬度性能造成影響。

3.結(jié)語

（1）Al元素在TC4鈦合金固溶冷卻過程中促進了α相的形成，隨著冷卻溫度降低，TC4鈦合金首先出現(xiàn)原始β晶粒和晶界α相，當溫度降到800℃左右時組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容Sα和轉(zhuǎn)變β，隨著溫度的繼續(xù)降低，組織變化為粗大的片層α相和少量β相。

（2）Al元素可強化TC4鈦合金中α相并影響試樣硬度變化，TC4鈦合金固溶后緩慢冷卻到800℃水冷時，析出α相均勻細小，最終試樣硬度達到246HV5的最高值。研究結(jié)果對獲得最佳性能從而縮短生產(chǎn)周期具有重要的實際意義。