等溫退火方式對TC6軋棒組織及性能的影響

魏文博，魏高艷，閆宗義，李樂鑫，孫虎代

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

1 前言

鈦合金因具有比強度高﹑耐蝕性好﹑耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。盡管鈦及其合金應用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經獲得了多個榮譽稱號，首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕﹑強度大而又耐高溫，特別適合于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業，許多原來用鋁合金的部件都改用鈦合金。隨著我國航空航天事業的迅速發展，鈦合金在航空航天領域的用量將快速增長。

TC6鈦合金是我國在上世紀70年代仿制的俄羅斯BT3-1合金，該合金屬于Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si系，是一種良好的馬氏體型α-β兩相鈦合金，含有α穩定元素Al﹑同晶型β穩定元素Mo和共析型β穩定元素Cr﹑Fe和Si，β穩定系數Kβ=0.6[1]。TC6合金在400℃下可以長時間工作，在450℃工作時間長達3000h，是一種成熟的﹑應用十分廣泛的鈦合金，該合金有良好的熱強性，室溫強度較高，并具有優良的加工性能，高溫下塑性高。廣泛應用于航空發動機等重要結構件上，如機翼葉片和航

空發動機盤等。自1979年開始，寶雞鈦業股份有限公司（原寶雞有色金屬加工廠）承擔了我國首批TC6鈦合金國產化研制任務，經過四十多年的發展，當前已完全具備批量化生產高品質TC6鈦合金棒材的能力。

金屬材料的性能主要取決于化學成分和組織，當合金成分一定時，影響組織的主要因素有熔煉﹑塑性加工及熱處理[2]。由于TC6鈦合金含有的合金元素種類多，非常適合采用熱處理的方式改善其組織和性能，以便更好的發揮使用潛力。本文主要研究了TC6合金軋棒在等溫退火過程中，不同冷卻方式對其組織及性能的影響。

2 實驗

2.1 實驗材料

使用寶雞鈦業股份有限公司（下文簡稱“公司”）真空自耗電弧爐熔煉的TC6鈦合金鑄錠，鑄錠主要成分為Al：6.0%～7.0%﹑Mo：2.0%～3.0%﹑Cr：1.0%～2.0%﹑Si：0.20%～0.30%﹑Fe：0.30%～0.60，在鑄錠上取樣，并采用金相法測定的合金β轉變溫度為977℃。鑄錠經開坯﹑自由鍛等工序生產至Ф150mm棒坯，Ф150mm棒坯再經公司熱連軋生產線兩火次軋制至Ф22mm棒材，其中第一火次在兩相區加熱﹑軋制至Ф73mm中間棒坯，第二火次繼續在兩相區加熱﹑軋制。棒材軋制態為α-β兩相區組織。

2.2 實驗方法

在軋制后的Ф22mm棒材同一端連續取樣，并采用公司實驗中心高精度爐（精度±5℃）進行等溫退火處理，試樣等溫退火方式見表1（下文簡稱方式1為隨爐退火﹑方式2為轉爐退火），兩種熱處理方式的溫度和保溫時間一致，僅第一重退火后的降溫方式有所差異。退火后首先使用金相顯微鏡和掃描電鏡對試樣顯微組織進行觀察，隨后分別按國標GB/T228.1-2010﹑GB/T4338-2006要求對試樣進行加工，并檢測其室溫拉伸性能及400℃高溫拉伸性能，試驗后使用掃描電鏡對試樣斷口形貌進行觀察。

表1 TC6鈦合金棒材等溫退火方式

3 實驗結果與分析

3.1 等溫退火方式對棒材組織及性能的影響

隨爐退火后，棒材為等軸α+晶間β組織，等軸α含量約80%（見圖1）。轉爐退火后，棒材組織為等軸α+轉變β，組織均勻，等軸α含量約60%，轉變β基體上含有細針狀次生α（見圖2）。隨爐退火的棒材中，等軸α尺寸大于轉爐棒材。

圖1 隨爐退火棒材顯微組織

圖2 轉爐退火棒材顯微組織

不同方式退火后的棒材力學性能見表2。隨爐退火后，棒材的室溫及400℃高溫拉伸強度均低于轉爐退火的棒材，但其塑性略高于轉爐退火棒材。

表2 不同等溫退火方式處理后的力學性能

隨爐退火過程中，第一階段保溫目的是使組織發生再結晶，并獲得一定數量﹑形態的初生α相；隨爐冷卻過程可看成平衡狀態，發生β→α（α晶粒長大），無亞穩相生成；第二階段保溫目的是使合金中的亞穩定β＇充分分解（β＇→α+β），使合金的組織﹑性能更加穩定。轉爐退火過程與其相似，但轉爐過程是非平衡態，存在β→α＇﹑α〞及亞穩定β＇的轉變過程[3]；第二階段保溫過程中除亞穩定β＇的分解，還有α＇/α〞（馬氏體相）→β+針狀α的分解，因此退火后β基體上存在針狀α相。

轉爐退火的棒材強度較高，一是因為其等軸α尺寸較小﹑晶界多，起到了細晶強化的作用；二是因為β轉變組織中針狀次生α交錯排列，相界面能夠阻礙滑移的進行，使得合金變形更為困難，因而片狀β轉變組織越多，強度越高，塑性越低，起到了強化作用[2]。

3.2 室溫拉伸斷口分析

圖3﹑圖4分別為上述兩種方式退火后的室溫拉伸試樣斷口形貌，兩種斷口在宏觀上都是由剪切唇與纖維區組成，其中纖維區位于斷口的中央﹑粗糙不平，它是由許多纖維狀的小峰組成。在微觀上，兩種斷口都是由一些大小不等的圓形或橢圓形的凹坑﹑韌窩組成。綜合判斷其斷口形貌，兩種方式退火的室溫拉伸試樣均為韌窩斷裂，屬于塑性斷裂的一種。

圖3 隨爐退火試樣室溫拉伸斷形貌

圖4 轉爐退火試樣室溫拉伸斷口形貌

韌窩斷裂一般包含三個階段：裂紋的萌生﹑形成顯微孔洞﹑裂紋的擴展聚集和最終斷裂。試樣在承受拉伸載荷時，當應力超過材料的屈服強度時，其發生塑性變形，產生頸縮形成三向應力狀態，隨著變形的增加，在三向應力狀態下，沉淀相于金屬界面處分離產生微孔或由滑移位錯塞積產生微孔。微孔形成后通過兩種方式擴展，一種為內頸縮擴展，另一種為剪切擴展，內頸縮擴展是質點大小﹑分布均勻，韌窩在多處形核起裂，以后隨變形的增加，微孔壁變薄，通過撕裂方式相連；剪切擴展是材料中有較多夾雜物或細小相析出時，微孔之間可能以剪切方式相連，內頸縮與剪切擴展在同一韌窩斷口上可能同時存在[4]。

進一步比較兩種試樣斷口微觀形貌，隨爐退火的試樣斷口韌窩尺寸稍大于轉爐退火的試樣，這是由于兩種退火方式后的材料塑性不同造成，一般而言韌窩的大小﹑深淺及數量取決于第二相粒子的大小﹑數量﹑間距及材料的塑性，如果第二相粒子較多﹑材料塑性較差，斷口上形成的韌窩尺寸較小﹑較淺，反之韌窩較大較深。

3.3 高溫拉伸斷口分析

圖5﹑圖6為400℃高溫拉伸試樣斷口形貌，其與上述室溫拉伸斷口形貌基本一致，屬于韌窩斷裂。但隨爐退火后的高溫拉伸試樣斷口韌窩尺寸大于轉爐退火試樣，說明隨爐退火后的高溫拉伸試樣塑性更好，上文表2中的檢測數據也可佐證該結論，其原因與上述相同：材料塑性越好，韌窩越大越深。

圖5 隨爐退火試樣400℃拉伸斷口形貌

圖6 轉爐退火試樣400℃拉伸斷口形貌

4 結論

研究了兩種方式的等溫退火對TC6軋制棒材組織和性能影響，結果表明：

（1）隨爐退火的棒材組織為α等+β，α等含量約80%；轉爐退火的棒材，其為α等+β轉組織，等軸α含量低（約60%）且晶粒較細。

（2）轉爐退火的棒材室溫和400℃高溫強度均高于隨爐退火棒材，主要是由于其等軸α較細﹑且生成了針狀次生α，但其塑性略低。

（3）兩種方式退火的棒材，其室溫和400℃高溫拉伸均為韌窩斷裂，韌窩大小和深淺與材料塑性相關：塑性越好，韌窩越大越深。