熱處理溫度和冷卻方式對TC32 合金組織和性能的影響

文/張元東·江西景航航空鍛鑄有限公司

王曉巍，王德勇·沈陽飛機工業(集團)有限公司

張安，車安達·江西景航航空鍛鑄有限公司

TC32 鈦合金是中國航發航材院自主研發的中高強高韌α+β 型鈦合金，其名義成分為 Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1Si，具有沖擊性能高、斷裂韌度高、成本低等特點。針對TC32 合金，我公司開展了熱處理溫度和冷卻速度的研究，以指導熱加工方案的制定。

試驗用原材料

采用φ380mm 規格TC32 鈦合金圓棒材，測定其相變點溫度Tβ=(912±3)℃。下φ380mm×100mm的棒料，按某標準要求對棒料進行熱處理(880℃保溫2h，空冷；550℃保溫6h，空冷)。熱處理后，其顯微組織見圖1，低倍組織見圖2，室溫力學性能見表1，高溫拉伸性能見表2。

表1 原材料熱處理后的室溫力學性能

表2 原材料熱處理后的高溫拉伸性能

圖1 原材料熱處理后的顯微組織

圖2 原材料熱處理后低倍組織

熱處理溫度工藝試驗

下料

將φ380mm×360mm的棒料沿原材料十字中心一作四均勻鋸開，加工出特定規格料4 件，并標記編號1#，2#，3#，4#，如圖3 所示，選用3#料進行鍛造溫度試驗。

圖3 試驗用棒料鋸料示意圖

試驗方案

⑴將3#試塊沿360mm 長度鋸成3 等份，每份試塊厚度控制為(117±3)mm，編號為3#-D，3#-E，3#-F。

⑵選用高溫電爐(II 類爐及以上，爐溫均勻性精度±5℃)進行鍛造前加熱，加熱溫度為(Tβ-35)℃，保溫時間為90min。

⑶將厚度(117±3)mm 下壓至70mm，鍛造變形量約40%，鍛造設備選用1000t 快鍛機。

⑷鍛后熱處理。一次退火制度按表3 執行。二次退火制度：爐膛550℃，保溫360min，出爐空冷。

表3 試驗件一次退火溫度對比

⑸熱處理后按表4 進行取樣檢測，取樣位置見圖4，三個試驗件取樣位置應保持一致。

表4 工藝試驗理化檢測項目表

圖4 鍛造溫度對比工藝試驗理化檢測取樣圖

結果和分析

⑴顯微組織對比。

從圖5 ～圖7 可以看出，隨著熱處理溫度由860℃升高到900℃，合金的初生α 相含量逐漸減少且變化非常明顯，860℃時初生α 相含量約50%～60%，880℃初生α 相含量約30%～40%，900℃時初生α 相含量不足10%，說明初生α 相對溫度非常敏感，生產中可根據實際需要調整熱處理溫度進而調控初生α 相含量，得到滿足標準要求的性能值。相同熱處溫度不同取樣位置處，等軸α 相和條狀α 相的含量以及形貌稍有變化，這是表、中、心部位熱量呈梯度變化的緣故。

圖5 熱處理溫度試驗3#-D 對應的顯微組織

圖6 熱處理溫度試驗3#-E 對應的顯微組織

圖7 熱處理溫度試驗3#-F 對應的顯微組織

⑵力學性能對比。

如圖8、圖9 和表5 所示，隨著熱處理溫度由860℃增加到900℃，試塊1/4 取樣厚度處的橫向室溫平均強度逐漸降低，塑性略有提高，沖擊性能提升較為明顯，結合圖5 ～圖7 的高倍結果，編號3#-D和3#-E 強度較高，可能是由于大量的初生α 相和粗片狀條狀α 相共同作用的結果。編號3#-F 沖擊性能明顯提高，這是由于近β 的熱處理溫度，使得大量初生α相轉變為互相交織排列的細小條狀α相，從而阻礙裂紋的擴展。

表5 熱處理溫度試驗拉伸性能理化檢測結果

圖8 1/4 厚度處橫向平均室溫拉伸性能折線圖

圖9 1/4 厚度處橫向平均室溫沖擊性能折線圖

從圖10 和表5 中可以看出，在同一取樣位置處，隨著熱處理溫度逐漸升高(由860℃提高到900℃)，合金橫向高溫抗拉強度有降低的趨勢，橫向屈服強度呈現升高的趨勢，塑性整體變化不大；在不同取樣位置處基本表現為1/4 取樣厚度處強度高于1/2 取樣厚度處，塑性兩者相當。

圖10 1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能折線圖

從表6 中可以看出，隨著熱處理溫度的提升，斷裂韌性有明顯提升的趨勢。

表6 熱處理溫度試驗斷裂韌性檢測結果

熱處理冷卻方式工藝試驗

下料

選用圖3中4#料進行熱處理冷卻方式工藝試驗。

試驗方案

⑴將4#試塊沿360mm 長度鋸成3 等份，每份試塊厚度控制為(117±3)mm，編號為4#-G，4#-H，4#-I。

⑵選用高溫電爐(II 類爐及以上，爐溫均勻性精度±5℃)進行鍛造前加熱，加熱溫度為(Tβ-35)℃，保溫時間為90min。

⑶將厚度(117±3)mm 下壓至70mm，鍛造變形量約40%，鍛造設備選用1000t 快鍛機。

⑷鍛后熱處理。一次退火：按表7 執行。二次退火：爐膛550℃，保溫360min，出爐空冷。

表7 試驗件一次退火后冷卻方式對比

⑸熱處理后檢測：按表4 進行取樣檢測，取樣位置如圖4 所示，三個試驗件取樣位置應保持一致。

結果和分析

⑴顯微組織對比。

從圖11 ～圖13 可以看出，顯微組織中的晶粒形態呈等軸狀，平均晶粒大小基本一致，均觀察到了初生α 相。但在不同冷卻方式下，隨著冷卻速度的變化(空冷、風冷、水冷)，不僅影響了合金的組織形貌，更顯著改變了其顯微組織尺寸。其總體規律：隨著冷速的不斷加大，集束尺寸、集束中的片層α 相和殘余β 相尺寸均呈現大幅減小趨勢；經空冷和風冷后，β 轉變基體由初生α 相和不同位相的條狀α相集束組成；經水冷后，β 轉變基體中的條狀α 相基本觀察不到。

圖13 熱處理冷卻方式試驗4#-I 對應的顯微組織

⑵力學性能對比。

如表8 和圖14 ～圖15 所示，在空冷條件下，合金強度值最低，塑性值最高；在水冷條件下，強度值出現較大幅度升高，塑性值出現大幅度下降。在空冷條件下，沖擊值最高，均值達到了72J；在風冷條件下，沖擊值略微降低，均值為68J；在水冷條件下，沖擊值出現較大幅度降低，均值為27J?？梢钥闯?，試塊經兩相區熱處理后的強度、塑性和沖擊值對冷卻速率非常敏感。隨著冷卻速率增加，塑性和沖擊值將逐漸降低，強度逐漸增加。

表8 熱處理冷卻方式試驗拉伸性能理化檢測結果

圖14 1/4 厚度處橫向平均室溫力學性能折線圖

圖15 1/4 厚度處橫向平均室溫沖擊性能折線圖

試塊經不同熱處理方式冷卻后，1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能如圖16 所示。在同一取樣位置處，空冷條件下，平均高溫強度值最低，塑性值最高；水冷條件下，平均高溫強度值出現較大幅度升高，塑性值出現輕微下降。在不同取樣位置處，1/4取樣厚度處平均高溫強度整體優于1/2 取樣厚度處，1/2 取樣厚度處平均高溫塑性整體優于1/4 取樣厚度處。

圖16 1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫力學性能折線圖

試樣經不同熱處理方式冷卻后，斷裂韌性檢測結果如表9 所示。試塊4#-G 的斷裂韌性達到101MPa·m1/2以上，試塊4#-H 的斷裂韌性達到104MPa·m1/2以上，均滿足標準要求的80MPa·m1/2；試塊4#-I 的斷裂韌性為40.65MPa·m1/2，僅為標準值的一半，不符合要求。

表9 熱處理冷卻方式試驗斷裂韌性檢測結果

結論

⑴一次退火溫度對TC32 合金的組織和性能有較明顯影響。隨著一次退火溫度的升高，顯微組織中的初生α 相含量逐漸減少，沖擊值和斷裂韌性逐漸升高，塑性逐漸降低，但對室溫強度和高溫強度的影響不明顯。

⑵一次退火后的冷卻速度對TC32 合金組織和性能有較明顯影響。隨著一次退火后冷卻速度的提升，顯微組織中的析出α 相含量逐漸減少，沖擊值、斷裂韌性和塑性逐漸降低，室溫強度和高溫強度逐漸升高。