不同軋制溫度和熱處理工藝對TC2鈦合金薄壁型材組織性能的影響

李 萍，張夢圓，高 朋

（沈陽和世泰通用鈦業有限公司，遼寧 沈陽 110206）

鈦合金具有密度小、耐高溫、耐腐蝕、比強度高等突出優點,鈦及鈦合金型材已被廣泛應用于航空航天領域，如何制定軋制工藝參數和合理的熱處理制度對是否能夠生產出合格的型材產品尤為重要[1，2]。TC2鈦合金是一種中等強度的α+β型鈦合金，含有4%Al和約1.5%Mn，兼有α和β鈦合金的優點,具有較高的比強度、熱強性和較好的綜合力學性能，是較為理想的航空航天結構材料，在飛機構件和發動機構件中均占有重要地位。本文針對這一現狀,制定相應的試驗方案,探索了不同軋制溫度和熱處理工藝對TC2鈦合金薄壁型材顯微組織和力學性能的影響,為優化TC2鈦合金薄壁型材的生產工藝提供一定的依據。

1 試驗材料和方法

試驗用原料為三次真空自耗熔煉的Φ80mm的TC2鈦合金圓棒坯料，其名義化學成分(質量分數，%)為:3.5~5.0Al、0.8~2.0Mn、0.3Fe、0.12Si、0.10C、0.05N、0.012H、0.15O，其余為Ti。經檢測該圓棒坯料的顯微組織以及化學成分均滿足航空棒材標準GJB 1538A-2008《航空結構件用鈦合金棒材規范》的要求。采用金相法對合金的相變點進行測量，通過對比金相組織圖片以及根據《GBT 23605-2009 鈦合金β轉變溫度測定方法》標準可判斷，TC2相變點為975℃。檢測合格的TC2鈦合金圓棒坯料在熱處理爐中加熱保溫一定時間后，使用430軋機軋制到所需尺寸的圓棒，經削皮探傷合格后重新加熱保溫用350軋機將圓棒熱軋至要求尺寸的扁坯后進行表面修整。由于型材軋制道次多、溫度降得快，軋制的型材邊部容易出現嚴重的開裂現象，故在型材軋制過程中增加補溫工序再進行350軋機第三架的軋制以及最后的熱軋工序，即350軋機第四架和第五架的軋制，獲得半成品鈦合金軋制型材。最后將修整至無表面缺陷的鈦合金軋制型材，放置在真空熱處理爐中，進行真空退火矯直。本文主要研究了TC2圓坯和扁坯軋制以及真空退火過程中不同坯料保溫溫度和時間對TC2鈦合金棒材組織結構和力學性能的影響規律，尋找最佳的軋制溫度和熱處理工藝。

2 試驗結果和分析

2.1 軋制TC2圓坯所需坯料保溫溫度和時間的試驗

TC2鈦合金圓棒坯料在加熱溫度分別為920℃、930℃、950℃，保溫時間分別為1h、4h的箱式電阻爐中加熱，用430橫列式開口軋機在α+β兩相區鍛造成Φ33mm的圓棒，鍛后空冷。在光學顯微鏡下對其顯微組織進行觀察，觀察其組織變化，并對其室溫拉伸性能進行檢測，分析TC2圓坯軋制時坯料保溫溫度和時間對TC2鈦合金棒材組織結構和力學性能影響規律，具體試驗方案如表1所示。

從圖1可知，隨著保溫溫度的升高、保溫時間的延長，TC2組織有由等軸組織向雙態組織發展的趨勢。

表2 不同熱處理制度下TC2圓坯的力學性能

表2 為經不同熱處理制度軋制圓坯的力學性能，從表中可以看出，每種熱處理制度試樣的強度、延伸率相差不大，所以從成本方面考慮，軋制圓坯時的熱處理制度采用920℃/1h。

2.2 軋制TC2扁坯所需坯料保溫溫度和時間的試驗

軋制TC2扁坯時，坯料的保溫溫度和時間的試驗方案如表3所示。

圖2 為坯料經過不同熱處理制度軋制的扁坯金相顯微組織形貌，組織的整體變化趨勢與圓坯大致相同，均為從等軸組織向雙態組織發展。

圖2 不同熱處理制度下各扁坯金相顯微組織形貌

表4 為經不同熱處理制度軋制扁坯的力學性能，從表中可以看出，每種熱處理制度下試樣的強度、延伸率相差不大，所以從成本方面考慮，軋制扁坯時的熱處理制度采用920℃/1h。

表4 不同熱處理制度下TC2扁坯的力學性能

2.3 型材真空熱處理溫度和時間的確認

根據國軍標“GJB 3763A-2004鈦及鈦合金熱處理”標準，對TC2牌號型材進行如表5所示的真空熱處理制度。

表5 TC2牌號型材真空熱處理制度。

圖3 為TC2型材在不同真空熱處理制度下的金相顯微組織形貌,表6為不同真空熱處理制度下TC2型材力學性能情況匯總。根據技術要求（TC2：屈服強度≥620MPa、抗拉強度：685MPa~885MPa、延伸率≥10%）以及力學性能試驗數據和金相組織，最終確定TC2型材的真空退火熱處理制度為：750℃/1.5h。

綜上，采用920℃/1h的圓坯和扁坯軋制保溫溫度和時間，750℃/1.5h的真空退火熱處理制度軋制TC2鈦合金薄壁型材可獲得晶粒細小，組織均勻一致的雙態組織，同時獲得優異的力學性能，屈服強度和抗拉強度可高達716MPa和782MPa，延伸率可達23%。從室溫拉伸性能來看，雙態組織賦予合金十分優異的綜合力學性能，這是因為雙態組織結合了等軸組織和網籃組織的優點，因其中含有一定量的等軸組織，可以減少裂紋的減少，同時又含有一定量的網籃組織可以防止裂紋的擴展。

圖3 不同真空退火熱處理制度下TC2金相顯微組織形貌

表6 不同真空退火熱處理制度下TC2型材力學性能匯總。

3 結論

（1）軋制TC2鈦合金圓棒坯料和扁坯料時，隨著保溫溫度升高、保溫時間延長，顯微組織形貌均由等軸組織向雙態組織發展，力學性能變化不大，從成本方面考慮，軋制的最佳熱處理制度均為920℃/1h。

（2）真空退火熱處理制度為750℃/1.5h時，可獲得最佳的顯微組織形貌和力學性能匹配，屈服強度和抗拉強度分別可達716MPa和782MPa，延伸率為23%，滿足航空用鈦合金薄壁型材力學性能需求，為優化航空用鈦合金薄壁型材生產工藝提供新的熱處理方案，推動了鈦合金薄壁型材軋制生產的批量化和國產化。