基于熱處理溫度對(duì)TA12鈦合金組織與性能控制的研究

韓盼盼，冀宣名

(1.江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550025；2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

?

基于熱處理溫度對(duì)TA12鈦合金組織與性能控制的研究

韓盼盼1，冀宣名2

(1.江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550025；2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

通過(guò)對(duì)TA12鈦合金在不同溫度下進(jìn)行相同時(shí)間的保溫然后空冷，并對(duì)其組織及性能進(jìn)行測(cè)定和分析研究，結(jié)果表明：在低于相變點(diǎn)加熱，隨著保溫溫度的升高，初生α相含量降低；當(dāng)保溫溫度在相變溫度以上的1 070℃時(shí)，空冷后得到魏氏組織。TA12鈦合金經(jīng)熱處理后的沖擊韌性呈現(xiàn)隨溫度升高先稍微下降然后增大的趨勢(shì),且層片狀組織優(yōu)于等軸狀。

TA12鈦合金 熱處理 顯微組織 力學(xué)性能

近α型雙相鈦合金因具有比強(qiáng)度高，韌性、延展性好以及耐蝕性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空、 航天、 化工、 醫(yī)療等領(lǐng)域。TA12鈦合金是中科院金屬研究所在Ti55合金基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化完善而研發(fā)的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型合金。由于增加了熱強(qiáng)元素Ta和Nb，同時(shí)去掉了稀土元素Nd，其熱穩(wěn)定性與高溫持久性能都極其優(yōu)良，可達(dá)550℃的高溫下長(zhǎng)期工作，同時(shí)具有較好的塑性[1-4]。故其在航空航天領(lǐng)域得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)、鼓筒、葉片等[5-7]。

合金的性能與組織息息相關(guān)，在成分固定、塑性加工工藝一定的情況下，不同的熱處理工藝，可以得到不同的組織。適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢垣@得希望的組織，通過(guò)改善合金組織、合金的性能，提高服役能力[8-9]，因此，熱處理參數(shù)的確定對(duì)合金極其重要。本文針對(duì)加熱溫度對(duì)TA12鈦合金組織及性能的影響進(jìn)行一定的探索，力求建立空冷條件下加熱溫度與組織、性能的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)提高TA12鈦合金的服役能力提供一定的指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

圖1 TA12臺(tái)合金原始顯微組織

實(shí)驗(yàn)材料為T(mén)A12鈦合金，屬Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si系近α鈦合金。圖1為本次實(shí)驗(yàn)采用的TA12鈦合金實(shí)驗(yàn)處理前顯微組織，通過(guò)此圖可知，實(shí)驗(yàn)前材料的組織為等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變組織。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)并采用連續(xù)升溫金相法獲得本批次鈦合金的相變點(diǎn)，依此為依據(jù)，制定熱處理工藝。熱處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程為保證試樣反應(yīng)完全，對(duì)試樣保溫40 min，然后快速取出水淬，待試樣完全冷卻后取出，去除試樣表面氧化層，金相試樣磨制拋光后采用kroll 腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，在OLYMPUS BX41M光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，力學(xué)性能試樣按照國(guó)標(biāo)制備成沖擊試樣在JBGDS-300A型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對(duì)合金組織的影響

試樣經(jīng)790℃、830℃、870℃、910℃、970℃、1 010℃、1 060℃保溫空冷后的組織如圖2所示。

圖2 保溫3 min后空冷的微觀組織

由圖可知：在加熱溫度較低即遠(yuǎn)低于合金相變溫度時(shí)，經(jīng)加熱保溫淬火后的合金組織為大量的初生α相以及少量的β轉(zhuǎn)變組織的混合體，其中初生α相形態(tài)呈現(xiàn)為球狀和等軸狀，β轉(zhuǎn)變組織較為細(xì)小成針狀。隨溫度的升高，初生α相含量有所增加，但在910℃以下時(shí)，這種數(shù)量的變化不明顯。當(dāng)加熱溫度達(dá)到910℃時(shí)，β轉(zhuǎn)變組織變化稍微明顯，初生α相約為79.1%。當(dāng)溫度再次升高，達(dá)到970℃時(shí)，大量α相發(fā)生轉(zhuǎn)變，初生α相降為約57.9%，β轉(zhuǎn)變組織含量明顯增加，次生α相呈片狀分布且密集排列，同時(shí)，在β轉(zhuǎn)變組織處有晶界呈現(xiàn)。當(dāng)溫度升高至1 010℃時(shí)，從相變理論來(lái)說(shuō)此時(shí)溫度已經(jīng)在相變溫度點(diǎn)以上，組織應(yīng)該全部為β相，不應(yīng)出現(xiàn)初生α相，但可能由于熱處理轉(zhuǎn)移時(shí)間的控制限制以及空冷冷卻速度相對(duì)較低，導(dǎo)致合金還有部分初生α相。當(dāng)溫度升至1 060℃時(shí)，此時(shí)保溫后空冷得到的組織為片層狀的β相轉(zhuǎn)變組織。此時(shí)，由于溫度較高，α晶核首先在晶界處形成，同時(shí)從晶界處向晶內(nèi)生長(zhǎng)，形成位相相同且平行排列的條狀組織，即魏氏組織。

2.2 熱處理溫度對(duì)合金室溫性能的影響

TA12鈦合金熱處理后的室溫強(qiáng)度如圖3(a)所示。由圖可知：經(jīng)790℃、830℃保溫處理后的試樣，由于熱處理溫度遠(yuǎn)離相變溫度，其組織變化不大，較為接近，組織決定性能，故其抗拉強(qiáng)度變化不大。當(dāng)熱處理溫度為870℃時(shí)，合金強(qiáng)度相對(duì)較大，達(dá)到996MPa，隨溫度的再次升高，強(qiáng)度出現(xiàn)相對(duì)較大速度下降，這是由于隨著溫度的變化，TA12鈦合金的組織出現(xiàn)較大變化，初生α降低。隨著溫度的繼續(xù)升高，由于溫度較高，原子擴(kuò)散速度較快，相變動(dòng)力較大，晶粒較細(xì)小，抗拉強(qiáng)度再次增大。圖4為試樣經(jīng)870℃熱處理的試樣室溫拉伸的顯微斷口，斷口呈45℃角，呈現(xiàn)為一定量的淺狀韌窩，韌窩的邊緣類(lèi)似尖菱狀，較為明亮，韌窩整體呈無(wú)規(guī)則排列，其斷裂為典型的韌性斷裂，韌窩較淺，說(shuō)明合金整體塑性相對(duì)一般。合金經(jīng)熱處理后的沖擊韌性如圖3(b)所示，合金的韌性隨組織的粗大而增大，且層片狀組織優(yōu)于等軸狀，故其韌性出現(xiàn)稍微下降后然后隨溫度的升高而增大。

圖3 TA12不同熱處理溫度后室溫拉伸性能

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 試樣經(jīng)870熱處理的室溫拉伸的顯微斷口形貌

合金的組織決定性能，合理的熱處理可以獲得希望的組織，本文研究了熱處理溫度對(duì)TA12合金組織與性能的影響，結(jié)果表明：

1)在相變溫度以下，隨著保溫溫度的升高，熱處理后初生α相含量降低，β相含量增加；當(dāng)保溫溫度在相變溫度以上的1070℃時(shí)，熱處理后得到魏氏組織。

2)TA12鈦合金經(jīng)熱處理后抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)急速的下降后再次上升，沖擊韌性出現(xiàn)稍微下降后然后隨溫度的升高而增大的趨勢(shì)，且層片狀組織優(yōu)于等軸狀。

[1] 趙永慶, 奚正平, 曲恒磊. 我國(guó)航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2003, 23(1): 215-219.

[2] 許國(guó)棟, 王鳳娥. 高溫鈦合金的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 稀有金屬, 2008, 32(6): 774-780.

[3] Prasad Y V R K,Gegel H L,Doraivelu S M,Malas J C,Morgan K A,Barker D R.Modeling of dynamic material behavior in hot deformation:forging of Ti-6242.Metall Trans A,1984,15:1883.

[4] 任萍，張炳海，崔澤君，等.TA12改進(jìn)型鈦合金電子束焊接頭性能分析[ J] . 航空制造技術(shù), 2010(1)：78-80.

[5] 付鵬飛，黃銳，劉方軍，等.TA12鈦合金電子束焊接組織性能及殘余應(yīng)力分析[J].焊接學(xué)報(bào),2007,28(2):82-84.

[6] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理手冊(cè)編委會(huì). 熱處理手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2001：122-133.

[7 ] 劉勇. 鈦及鈦合金的熱處理中國(guó)材料工程大典(第15卷)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2006:41.

[8] 方波,陳志勇,陳仲?gòu)?qiáng),等.Ti-55鈦合金連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)繪及顯T微組織的演變[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010,20:32-35.

[9] 王娟華,王紅武,陳志勇,等.Ti-55鈦合金超塑性板材的顯微組織與力學(xué)性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2010(20)：91-93.

[10] CHEN H Q，CAO C X，GUO L, et al. Hot deformation mechanism and microstructure evolution of TC611 titanium alloy in β field [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(5): 1021-1027.

Study on the influence of heat treatment temperature on microstructure and properties of TA12 titanium alloy

HAN Panpan，JI Xuanming

The microstructure and properties of the TA12 titanium alloy were determined and analyzed under heating at different temperatures for the same time and then air cooling. The results show that the content of the primary α phase decreased with increasing temperature below the phase transformation temperature; the widmanstatten structure was get after air cooling with the heating temperature above the 1070℃. After heat treatment, the impact toughness of TA12 titanium alloy decreased slightly first and then increased increasing temperature.

TA12 titanium alloy, heat treatment, microstructure, mechanical property

TG146．2

A

1002-6886(2016)05-0091-03

韓盼盼(1988-)，女，碩士，工程師，研究方向：控制理論。

2016-07-15