熱處理工藝對ZTC4鈦合金顯微組織及性能的影響研究

冉 興 ，王 哲，呂志剛，曹 建，陳 垚，楊朝榮，李培杰*

（1.清華大學機械工程系,北京 100084；2.中航重機股份有限公司,貴州 貴陽 550005；3.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司,陜西 咸陽 713801；4.貴州安吉航空精密鑄造有限責任公司,貴州 安順 561003）

0 引言

鈦合金以其高比強度、良好的耐熱耐蝕性能以及生物兼容性等優點廣泛應用于航空、航天、兵器、船舶及醫療等領域[1-3]，ZTC4 是一種中等強度的(α+β)型鑄造鈦合金，具有優異的鑄造性能，ZTC4鈦合金占國內航空、航天類鈦合金鑄件用材的90%以上，是大型飛機中大型薄壁復雜非對稱精密鑄件首選材料[4-5]。ZTC4 鈦合金鑄件目前主要是通過熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，HIP)處理，使鑄件內部氣孔封閉、縮孔壓實，通過擴散鏈接成致密組織，提高鑄件力學性能[6-7]。

近些年，國內外對ZTC4 鈦合金進行了深入研究，張美娟采用組織定量分析研究了ZTC4 鈦合金表層與心部組織演變[8]；馮新研究了ZTC4 鈦合金鑄件表面缺陷與疲勞裂紋擴展行為的影響關系[9]；郗喜望對ZTC4 鈦合金復雜鑄件組織與性能均勻性進行了研究，表明隨著鑄件尺寸的增加，β 晶粒尺寸和片層α 相間距呈近線性關系[10]；劉繼雄通過對低溫熱處理后進行熱等靜壓ZTC4 鈦合金處理，認為元素微區擴散是造成ZTC4 鈦合金β 晶粒及片層α相組織差異的主要原因[11]。

目前，國內外對ZTC4 鈦合金的研究主要集中在ZTC4 鈦合金鑄造成形過程以及引起的顯微組織和力學性能差異，而對熱處理工藝對ZTC4 鈦合金顯微組織及力學性能的影響關系鮮有報道。筆者分別采用退火和熱等靜壓工藝對ZTC4 鈦合金鑄件進行熱處理，系統地研究了熱處理工藝對ZTC4 鈦合金顯微組織及力學性能的影響關系，為該合金獲得最佳力學性能提供理論及工程指導依據。

1 試驗材料及方法

試驗采用貴州安吉航空精密鑄造有限責任公司在ZSK05-500 KC 型500 kg 真空凝殼爐上生產的ZTC4 離心鑄造附鑄試棒，澆鑄溫度為1 760 ℃，澆鑄型殼預熱溫度為500 ℃，離心轉速為120 r/min。本爐批ZTC4 鈦合金合金成分及驗收標準見表1，由表1 可知，本爐批ZTC4 鈦合金化學成分符合標準GB/T 15073-1994 《鑄造鈦及鈦合金牌號和化學成分》的要求。采用淬火金相法測得該爐批次ZTC4 鈦合金(α+β)→β 相轉變溫度為990 ℃。

表1 ZTC4 鈦合金鑄件化學成分及驗收標準Table 1 Chemical compositions of ZTC4 titanium alloy casting and standard%

本試驗采用DHS-500 型真空爐對ZTC4 鈦合金鑄件進行退火熱處理，在RDG1250/1 500-150-1 000型設備上進行熱等靜壓處理，具體熱處理制度如下：

試樣Ⅰ：退火，735 ℃/2.5 h，爐冷至300 ℃，空冷，真空度0.4 Pa；

試樣Ⅱ：熱等靜壓，935 ℃/3 h，爐冷，氬氣壓130 MPa；

試樣Ⅲ：熱等靜壓+退火，935 ℃/3 h，爐冷；氬氣壓：130 MPa+735 ℃/2.5 h，爐冷至300 ℃，空冷，真空度0.4 Pa。

室溫拉伸試樣采用?13 mm×71 mm 標準拉伸試樣，在Instron 萬能試驗機上進行拉伸性能檢測，每組取3 根試樣進行測試，結果取平均值。金相試樣經去除氧化層、預磨、拋光后，采用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶7 的Kroll’s 腐蝕液進行侵蝕。金相顯微組織采用Leica DMI3000 M 金相顯微鏡進行，采用截線法計算平均片層α 相厚度，每個測量樣本數據不少于10 個。

2 結果與討論

2.1 熱處理制度對ZTC4 鈦合金顯微組織的影響

圖1 為ZTC4 鈦合金鑄態及不同熱處理工藝ZTC4 鈦合金顯微組織，均為典型魏氏組織，由粗大的原始β 晶粒中片層α 相和β 相基體構成，β 晶粒內部存在不同位相的片層α 相形成的集束。圖1(a)為ZTC4 鈦合金原始鑄態組織，可以看出，顯微組織中晶界α 相呈薄膜狀且晶內存在大量片層狀的馬氏體α′相，形成該組織的主要原因在于澆鑄溫度為1 760 ℃，而型殼預熱溫度僅為500 ℃，澆鑄過程是一個非穩態擴散相變的過程，較大的過冷度提供了相變熱力學及動力學并形成大量晶核，β 相不能通過擴散相變轉化為平衡態的片層α 相[12]，且該合金中β 相穩定元素含量較低，不足以使高溫β 相完全保留至室溫狀態，β 相中的原子只能通過整體有規律的進程遷移，發生切變形成過飽和固溶體的馬氏體α′相。圖1(b)為ZTC4 鈦合金經退火后顯微組織，存在平直連續的晶界α 相及晶內片層α 相，其主要原因在于，在退火熱處理過程中，鑄態組織中非穩態的馬氏體α′相發生擴散相變，形成穩態的片層α 相。圖1(c)和(d)為ZTC4 鈦合金鑄件熱等靜壓處理后的顯微組織，存在非連續狀晶界α 相以及晶內粗化的片層α 相。由圖1 還可以看出，在退火熱處理后，晶內存在大量不同位相的片層α 相集束，而采用熱等靜壓后，片層α 相集束數量明顯減少。

圖1 不同熱處理工藝條件下ZTC4 鈦合金鑄件顯微組織Fig.1 Microstructures of ZTC4 titanium alloy castings at various heat treatments

表2 為不同熱處理工藝條件下ZTC4 鈦合金顯微組織參數，由表2 可知，ZTC4 鈦合金鑄態組織中片層α 相和晶界α 相厚度均細小，平均片層α 相厚度僅為1.1 μm，平均晶界α 相厚度為3.5 μm；采用退火熱處理后，顯微組織與ZTC4 鈦合金鑄態顯微組織特征差異較小，但其平均片層α 相厚度增加至2.5 μm，平均晶界α 相厚度增加至4.8 μm。其主要原因在于退火溫度為735 ℃，ZTC4 鈦合金在該溫度熱處理時對原子擴散動能較小，熱處理溫度對其顯微組織的影響較小，而熱處理的冷卻階段，采用爐冷至300 ℃出爐的冷卻工藝，析出的次生α 相形核長大。因此，退火熱處理后平均片層α 相和晶界α相厚度均增加。

表2 不同熱處理工藝條件下ZTC4 鈦合金顯微組織參數Table 2 Microstructure parameters of ZTC4 titanium alloy at various heat treatments

采用935 ℃進行熱等靜壓后爐冷熱處理，平均片層α 相和晶界α 相厚度分別增加至4.6 μm 和7.6 μm，其主要原因在于，在較高溫度進行加熱，鈦合金原子擴散速率加快，擴散更加充分，在爐冷過程中發生相變，形成粗大的片層α 相和晶界α 相。在該基礎上再次進行退火熱處理，部分析出的次生α相再次長大，形成更加粗大的片層α 相(6.2 μm)和晶界α 相(10.6 μm)。

2.2 熱處理制度對ZTC4 鈦合金鑄件力學性能的影響

表3 為不同熱處理工藝條件下ZTC4 鈦合金鑄件的力學性能，可以得出，ZTC4 鈦合金鑄件抗拉強度較高，可達942 MPa，但其延伸率和斷面收縮率較低，分別為8.0%和12.2%。采用退火熱處理后，強度上升至955 MPa，延伸率和斷面收縮率分別提升至8.8%和13.1%。而采用熱等靜壓對ZTC4 鈦合金鑄件進行熱處理后，鑄件抗拉強度降低至911 MPa，但其塑性提升(延伸率9.5%，斷面收縮率15.3%)。采用熱等靜壓+退火熱處理后其抗拉強度進一步降低至892 MPa，塑性性能進一步提升(延伸率11.2%，斷面收縮率21.4%)。

表3 ZTC4 鈦合金在不同熱處理工藝條件下的室溫力學性能Table 3 Mechanical properties of ZTC4 titanium alloy castings at various heat treatments

2.3 討論與分析

ZTC4 鈦合金鑄件顯微組織對力學性能主要受片層α 相及晶界α 相形貌的影響[13]，ZTC4 鈦合金鑄件中主要以針狀馬氏體α′相為主，與鋼鐵中馬氏體相不同，該相是一種軟質相，對鈦合金的強化效果不明顯，但其片層厚度較小，在塑性變形過程中，為裂紋的萌生提供了大量裂紋形核源，降低了應力集中現象[14-15]。因此ZTC4 鈦合金鑄件具有較高的強度，而其晶界由平直的晶界α 相構成，裂紋在擴展過程中，易沿晶界方向擴展，發生沿晶斷裂[16]。因此，ZTC4 鈦合金鑄件的塑性性能較差。

當ZTC4 鈦合金進行退火熱處理，過飽和的固溶體α′相發生相變過程，轉變成穩定的片層α 相，鈦合金α 與β 相界面的結合能較弱，微裂紋通常沿著α/β 相界面處擴展，細小的片層α 相與β 相基體存在大量α/β 相界面，對基體有明顯的強化效果。同時當顯微組織中大量α 相以片層組織形式存在，片層α 相集束的不同取向阻礙了裂紋擴展，當裂紋穿越集束邊界時改變方向，導致裂紋分叉和二次裂紋的萌生，這些過程均需消耗更多的能量[17]。因此，ZTC4 鈦合金鑄件進行退火后，雖然平均片層α 相厚度比鑄態平均片層厚度大，但其強化效果比ZTC4 鈦合金鑄態高，因此退火熱處理的ZTC4 鈦合金具有最高強度。

采用熱等靜壓以及熱等靜壓+退火熱處理工藝對ZTC4 鈦合金鑄件進行熱處理，其片層α 相厚度持續增加，其抗拉強度進一步降低。而采用熱等靜壓工藝，在130 MPa 的氬氣條件下，材料進行微小的熱變形，原始β 晶粒破碎，形成不連續的晶界α 相。當裂紋沿晶界進行擴展過程中，擴展路徑被迫發生偏移，沿晶界擴展轉移至晶內擴展，該過程消耗更多能量[18]。因此，采用熱等靜壓以及熱等靜壓+退火熱處理制度可提升ZTC4 鈦合金塑性性能。

3 結論

主要研究了ZTC4 鈦合金不同熱處理工藝條件下顯微組織的演變及對力學性能的影響，結果表明：

1) ZTC4 鈦合金鑄件為馬氏體相α′相組成，進行退火以及熱等靜壓+退火熱處理后，顯微組織均為典型魏氏組織。

2) ZTC4 鈦合金鑄件退火后抗拉強度可達955 MPa，其延伸率和斷面收縮率分別為8.8%和13.1%。采用熱等靜壓+退火熱處理后，抗拉強度降低至892 MPa，但其延伸率和斷面收縮率升高至11.2%和21.4%。

3) ZTC4 鈦合金鑄件采用熱等靜壓熱處理，可破碎原始β 相晶粒，形成破碎的晶界α 相，提高ZTC4 鈦合金塑性性能。