熱處理制度對TA22 鈦合金鍛件顯微組織和力學性能的影響

文/韓琛宜，周娜，邱巖，鄭鵬飛，葛金余，段曉輝·寶雞鈦業股份有限公司

本文研究了不同的熱處理制度對TA22 鈦合金鍛件顯微組織和力學性能的影響。經過4 種熱處理制度后，對TA22 鈦合金的顯微組織、力學性能進行分析研究。結果表明：隨著固溶溫度從910℃升至940℃，初生α 相含量及晶粒尺寸顯著降低，片層狀次生α 相略微增厚，室溫抗拉強度先增大后降低，塑性得到改善。受影響最明顯的是其沖擊性能，在固溶溫度為930℃時，沖擊達到峰值。在920℃～930℃時強韌性匹配最佳，得到的TA22 鈦合金鍛件具有最優的綜合力學性能。

TA22 鈦合金是二十世紀八九十年代我國自主研制的一種近α 型中強、高塑、可焊、耐蝕的鈦合金，該合金的化學名義成分為Ti-3Al-1Mo-1Zr-1Ni。TA22 鈦合金集優良的強度、高的塑性、良好的加工性和優異的耐蝕性于一體，可長期用于海洋鹽霧環境中，因此在艦船、海洋工程上有廣泛的應用前景。本文分別研究了不同熱處理制度下TA22 鈦合金鍛件的顯微組織形貌，并通過分析組織形貌對合金室溫拉伸以及沖擊性能的影響，進一步分析不同的熱處理制度對該合金組織和性能的影響，以便為TA22 鈦合金的應用和生產提供理論依據和技術支持。

試驗材料與方法

試驗材料

試驗選用我公司經兩次VAR 熔煉生產的TA22 鈦合金鑄錠，鑄錠直徑為700mm，其化學成分見表1。經金相法測定，其相變點在940℃～950℃之間。

表1 試驗用TA22 鈦合金鑄錠化學成分(質量分數，%)

試驗方法

在TA22 鍛件的同一位置切取試樣，選用910℃～940℃不同溫度進行固溶處理之后，再進行820℃×2h AC 的再結晶退火見表2。對熱處理后的試樣分別進行室溫拉伸，沖擊性能測試以及顯微組織觀察。其中室溫拉伸按照GB/T 228.1-2021 標準在Instron 5885 電子萬能材料試驗機上進行，室溫沖擊按照GB/T 229-2020 標準在JNS-300 擺錘式沖擊試驗機上進行，采用V 形缺口。顯微組織觀察按照GB/T 5168-2008 標準要求在Axiovert 200 MAT 光學顯微鏡上觀測，金相腐蝕劑采用體積配比為7%HF+23%HNO3+70%H2O。

表2 4 種TA22 合金熱處理制度

試驗結果及討論

熱處理對TA22 合金顯微組織的影響

TA22 鈦合金鍛件原始組織為α+β 相，其中α相多，β 相少。經不同熱處理制度處理后的顯微組織如圖1 所示，可以看出：不同熱處理制度下的顯微組織均為α+β 兩相加工組織，組織分布均勻，不同的是在初生α 相含量、晶粒尺寸大小以及次生α片層形態上均有所差異。隨著固溶溫度從910℃上升至940℃，組織中初生α 相含量逐漸降低見表3，初生α 相晶粒尺寸也明顯減小，這是因為溫度升高，初生α 相穩定性降低，溶解的更加充分。固溶溫度為910℃時，TA22 鈦合金顯微組織中分布著等軸程度較好的α 相，由于鍛件取樣位置，呈輕微的排列取向性，初生α 相為55%，β 相中存在少量的次生α 相；固溶溫度升為920℃時，出現呈拉長的條狀α 相，這是因為隨著固溶溫度升高，晶粒呈長大趨勢，總體初生α 相降低為45%；固溶溫度升至930℃，經再結晶退火后，析出β 相，初生α 相含量持續降低為40%；固溶溫度至940℃時，α 相大量溶解，只剩余少量球狀α 相分散在β 相晶界間，初生α相含量驟減為10%。

圖1 不同熱處理制度的TA22 鈦合金鍛件顯微組織

表3 不同熱處理制度的TA22 鈦合金鍛件的初生α 相含量

熱處理對TA22 合金力學性能的影響

表4 為經不同熱處理制度處理后TA22 合金鍛件的室溫拉伸性能結果，圖2 為各項力學性能變化趨勢圖。

圖2 不同熱處理溫度下TA22 合金鍛件的強度拉伸及沖擊性能

表4 不同熱處理制度下TA22 鈦合金鍛件的力學性能

從表4 中可以看出，經4 種熱處理之后該鍛件檢測的室溫抗拉強度均高于590MPa，屈服強度在490MPa 以上，高于標準值較多。固溶溫度由910℃逐漸提升至940℃，該合金的室溫抗拉強度呈現出先增長后降低的趨勢，而塑性一直提升。當固溶溫度為920℃時，抗拉強度上升至最高，可達717MPa；之后，隨著固溶溫度繼續上升至930℃，室溫抗拉強度又下降約15MPa 左右，屈服強度也呈下降趨勢。對應圖1中顯微組織，這是由于隨著固溶溫度的升高，α 相溶解度增大，經過820℃再結晶退火后，出現針狀的次生α 相，次生α 片層相界面隨之增加，因此室溫抗拉強度、屈服強度都得到了輕微的改善。但當固溶溫度超過920℃并最終升至940℃時，析出β 相大幅提升，α 相含量驟減，組織中相比例發生急劇變化，抗拉強度、屈服強度均降低。隨著固溶溫度的升高，原始粗大的初生α 相溶解斷開，降低了位錯滑移距離，提升了塑性變形協調能力，使得材料的塑性得以上升。且β 相含量高、體心立方結構對合金塑性變形有利。

值得關注的是，隨著固溶溫度的提升，該合金的沖擊性能發生了較大幅度的變化。當該合金經過910℃×1h AC ＋820℃×2h AC 熱處理之后，TA22合金沖擊吸收功為94J，當固溶溫度提升至930℃時，TA22 合金沖擊吸收功提高了約40J，沖擊性能達到峰值。固溶溫度繼續提升至940℃時，沖擊吸收功下降至89J，但相比標準考核值，仍然有一定的富余量。這是由于當固溶溫度從910℃升高并經過再結晶退火后，針狀的次生α 相含量增多，隨著熱處理溫度的升高，形變畸變能釋放再結晶晶粒增多，次生α 相長大，相界面增多，雙態組織在沖擊過程中相界面對裂紋的發展起到了良好的阻礙作用，室溫沖擊功隨之增大。但當固溶溫度超過930℃后，TA22 合金內部的晶界析出物開始明顯增加，尺寸也逐步增加，最終成為連續狀態。這種在晶界處形成的Ti-Ni 硬脆相會顯著降低沖擊失效過程中的裂紋萌生能力，并進而損害到沖擊性能。

結束語

TA22 鈦合金鍛件熱處理后為均勻的(α+β)組織，隨著固溶溫度的升高，初生α 相含量、α相晶粒尺寸明顯下降。隨著固溶溫度從910℃升至940℃，TA22 合金鍛件的室溫抗拉強度、沖擊性能均出現峰值；其中沖擊性能受固溶溫度影響最大，在930℃時沖擊功可達到133J。經(920℃～930℃)×1h AC ＋820℃×2h AC 熱處理后，鍛件的強韌性匹配最好，可在提高抗拉強度的同時提高沖擊韌性，得到的TA22 鈦合金鍛件綜合力學性能最優。