固溶溫度對TC19鈦合金組織與力學性能的影響

王亞光，張明玉，豆成斌，趙富強，陳興順

1.新疆湘潤新材料科技有限公司 新疆哈密 839000

2.大連交通大學連續擠壓教育部工程研究中心 遼寧大連 116028

1 序言

鈦及鈦合金具有耐低溫、耐蝕性好、比強度高、無磁性等眾多優異性能，使得鈦及鈦合金在海洋工程、化學工程、醫學醫療等眾多領域都有廣泛的應用[1，2]。TC19鈦合金是應用十分廣泛的一種α+β型兩相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，故TC19鈦合金也被稱為Ti6246。該合金由美國在20世紀發明，因為該合金中Mo含量較高，導致其在高溫領域有較為廣泛的應用，同時具有較高的室溫力學性能，且熱處理的敏感性較高，因此近年來在工業領域的應用越來越廣泛[3，4]。

目前，因為TC19鈦合金的應用領域十分廣泛，所以對其研究也十分多元化。溫杰等[5]研究了熱變形參數對Ti6246鈦合金顯微組織的影響。結果表明，合金經不同溫度區間變形時，組織顯示出不同的熱變形敏感性；當變形溫度位于兩相區時，變形溫度會影響組織中初生α相含量，當變形溫度位于單相區時，變形溫度會影響組織中β晶粒尺寸；應變速率會改變初生α相的形貌、晶界再結晶以及β晶粒的取向；增加應變速率，合金組織會出現塑性流動現象。趙子博等[6]研究了Ti6246合金中α相轉變織構的形成機制。結果表明，Ti6246合金經鍛造后會形成網籃組織，組織中粗大的β晶粒出現流動性現象并被拉長；β相出現較強的絲織構；當β晶粒呈現出<110>方向時，析出的次生α相會沿著晶體c軸進行旋轉。

雖然對TC19鈦合金熱處理的研究較為廣泛，但固溶處理仍是工業生產中應用最為廣泛的，因此，本文選擇不同固溶溫度對TC19鈦合金進行熱處理，研究固溶溫度對TC19鈦合金組織與力學性能的影響，為TC19鈦合金的工業生產作出參考。

2 試驗材料與方法

選用直徑為150mm的TC19鈦合金棒材作為試驗材料，合金鑄錠經真空自耗熔煉爐精煉3次而制成，隨后經自由鍛造機在單相區與兩相區多火次鍛造制成直徑為150mm的棒材，測得試驗用TC19鈦合金棒材的化學成分為：wAl＝6.2%、wSn＝2.1%、wZr＝4.0%、wMo＝6.0%、wO＝0.13%、Ti余量。相轉變溫度測試方法使用連續升溫金相法，測得試驗用TC19鈦合金棒材相變溫度為970～975℃，相轉變溫度試驗如圖1所示。

圖1 相轉變溫度測試

將TC19鈦合金棒材加工成若干份，隨后采用箱式電阻爐對切割完的合金進行不同溫度的加熱處理，加熱溫度依據相轉變溫度，分別選取單相區與兩相區加熱，具體熱處理制度為：（930℃、950℃、970℃、990℃）×2h/WQ（WQ表示水冷），后將經熱處理后的TC19鈦合金棒材分別進行維氏硬度與室溫拉伸性能檢測，同時觀察不同熱處理制度下的金相組織。用于對合金進行加熱的箱式電阻爐設備型號為SKS-M10，觀察合金金相組織的金相顯微鏡為Axiomatic型顯微鏡，維氏硬度計（HV5）型號為HVS-10Z，室溫拉伸檢測的試驗設備為Instron電子萬能試驗機。

3 試驗結果與分析

3.1 金相組織

圖2所示為經不同固溶溫度處理后的TC19鈦合金棒材的金相組織。由圖2可知，合金經不同固溶溫度處理后，其金相組織變化較大，其中最明顯的變化為，組織中初生α相含量隨固溶溫度升高而逐漸減少，在加熱溫度超過相變點后，組織中初生α相完全消失，同時組織中有大量次生α相析出。當合金經930℃固溶處理后，由于此時溫度處于兩相區，將有少量初生α相溶解到基體中，發生α→β相轉變，當合金進行水冷冷卻時，會進行β→α相轉變，此時形成的α相為具有斜方結構的α"相，并形成亞穩定β相，組織中未見明顯β轉變組織[7]。當加熱溫度達到950℃時，由于加熱溫度升高，導致初生α相溶解度增加，其含量減少，同時組織中析出更多次生α"相。當加熱溫度為970℃時，此時溫度為相轉變溫度，組織中初生α相大幅度降低，僅含有少量的初生α相，并出現明顯的β晶粒，可見明顯的β晶界；當加熱溫度為990℃時，此時加熱溫度位于單相區，初生α相完全消失，僅有粗大β晶粒，并析出大量次生α"相；當加熱溫度處于兩相區時（930℃、950℃、970℃），因為初生α相沒有完全溶解，在水冷處理后，存在于組織內的α相分為兩部分：一部分是在冷卻過程中，由β→α相所形成的新α相；另一部分為未發生溶解的初生α相，當加熱溫度處于單相區時（990℃），組織中只存在β→α相的新α相以及粗大β晶粒[8]。

圖2 經不同固溶溫度處理后的金相組織

3.2 維氏硬度

圖3所示為經不同固溶溫度處理后的維氏硬度值。由圖3可知，當固溶溫度位于兩相區時，其維氏硬度隨著溫度的升高而升高，當溫度達到相變點附近時，其硬度值較為平穩，升高幅度較小。合金在經4種固溶溫度處理后，其硬度值分別為436HV、451HV、463HV、467HV。

圖3 經不同固溶溫度處理后的維氏硬度

當合金經930℃固溶處理后，其組織中初生α相含量較多，且均勻地分布在基體上，經測得其初生α相含量為43%（見圖2a）。在硬度測試過程中，其硬度值取樣位置以初生α相和析出的次生α"相為主；當合金經950℃固溶處理后，其組織中初生α相為15%，說明硬度取值位置以α"相為主，因為α"相更為細小，容易形成位錯塞積，所以導致測試硬度值上升；當固溶溫度上升到970℃時，組織中初生α相含量僅為2%，故硬度測試以α"相為主；在固溶溫度上升到990℃時，因為組織中初生α相完全消失，硬度值同樣以α"相為主，所以導致合金硬度值上升較小[9]。

3.3 拉伸性能

圖4所示為經不同固溶溫度處理后的TC19鈦合金棒材的拉伸性能。由圖4可知，當合金經固溶處理的溫度不斷升高，其抗拉強度（Rm）隨之升高，而合金的斷后伸長率（A）與斷面收縮率（Z）隨著固溶溫度的升高而降低，與強度呈現出相反趨勢。在固溶溫度位于單相區時，合金塑性下降十分明顯，合金在經4種固溶溫度處理后，當固溶溫度為990℃時，合金強度值最大，其中抗拉強度（Rm）為1198MPa；當固溶溫度為930℃時，合金塑性達到最佳，斷后伸長率（A）為11%，斷面收縮率（Z）為17%。

圖4 經不同固溶溫度處理后的拉伸性能

當合金經固溶處理溫度不斷提高時，其組織中的初生α相含量逐漸減少，此時初生α相均呈現出等軸狀形貌。相關文獻指出[10]，具有等軸狀的初生α相中，包含更多可以在滑移時開動的滑移系，當合金發生塑性變形時，形變產生的滑移會在位向因子較大的等軸狀α相最先發生開動，當固溶溫度較低時，組織含有較多的等軸狀α相，合金在拉伸過程中所產生的變形，能夠以較快的速度擴散到其余晶粒內部，從而避免了位錯在少量α晶粒中密集開動，從而導致產生應力集中而發生斷裂。因此，當固溶溫度為930℃時，組織中包含較多的等軸狀α相，合金能夠發生較大的變形，使得合金塑性較好，隨著固溶溫度的逐漸增加，組織包含的等軸狀α相數量逐漸降低，使得合金強度升高，而塑性下降。在合金加熱溫度升高的同時，合金在進行水冷過程中所析出的次生α"相含量增多，因為組織中次生α"相的含量增多，合金在發生變形時，產生的位錯滑動間距增大，同時因為有大量的位錯位于次生α"相中，容易形成位錯塞積，所以隨著固溶溫度升高，次生α"相含量隨之增加，合金強度增加[11]。另外，合金組織內部的抗裂紋擴展以及抗裂紋源萌生能力同時會影響合金的拉伸性能，二者因素相比較，組織內部的抗裂紋源萌生能力對合金的拉伸性能影響更大，而影響合金的抗裂紋源萌生能力的主要因素為組織中滑移距離的大小，當組織中次生α"相含量越多時，對位錯的滑移距離影響也越大，所以當固溶溫度由兩相區向單相區增加時，組織形成較多的次生α"相，合金強度升高。

4 結束語

1）合金經不同固溶溫度處理后，組織中初生α相含量隨固溶溫度升高而逐漸減少，在加熱溫度超過相變點后，組織中初生α相完全消失，同時組織中有大量次生α"相析出。

2）當固溶溫度位于兩相區時，其維氏硬度值隨著溫度的升高而升高，當溫度達到相變點附近時，其硬度值較為平穩，升高幅度較小。

3）當合金經固溶處理的溫度不斷升高，其強度隨之升高，而合金的塑性與強度呈現出相反趨勢。當固溶溫度為990℃時，合金強度值最大，其中抗拉強度（Rm）為1198MPa；當固溶溫度為930℃時，合金塑性達到最大值，斷后伸長率（A）為11%，斷面收縮率（Z）為17%。