雙重退火工藝對TC21 鈦合金板材組織和性能的影響

供稿|巨朝飛，苗陽，齊航，雷挺，吳家興 / JU Zhaofei, MIAO Yang, QI Hang, LEI Ting, WU Jiaxing

內容導讀

通過熱軋的方式制備出TC21 板材，并對TC21 板材在經不同熱處理制度處理后的抗拉強度、顯微組織、延伸率和斷面收縮率進行了檢測，得出了雙重退火制度對板材性能和組織的影響規律。TC21 板材經900 °C/1 h 固溶處理，600 °C/4 h 時效處理后顯微組織均勻，晶粒細小，均為α+β 轉變組織，此制度下的板材性能最優，抗拉強度達到1350 MPa，屈服強度達到1275 MPa，板材的延伸率變化不大，斷面收縮率達到最大值32.6%。

TC21 是我國自主研發的高強高韌鈦合金，名義成分為Ti-6.4Al-3Mo-1.9Nb-2.1Zr-2Sn-1.5Cr，經固溶處理后，其抗拉強度可以達到1100 MPa 以上。因其優異的綜合性能，已在國內宇航領域獲得大量使用[1-3]。由于TC21 合金強度高，加工難度大，前期國內主要以鍛造方式生產棒材和鍛件。對于TC21 合金鍛造產品已進行大量研究工作[4-6]，而本文則針對厚度為6.3 mm 的板材開展熱處理工藝對其性能和組織影響的研究，為后續工業化生產提供技術支持。

實驗材料及方法

實驗材料

坯料為在相變點以下30～50 °C 鍛造板坯，其規格為153 mm×502 mm×802 mm。鑄錠采用3 次真空自耗電弧熔煉（VAR）熔煉，鑄錠扒皮、切冒口處理，鑄錠頭部取樣采用金相法檢測相變點為970 °C。經過三火次軋制生產工藝制備出厚度6.3 mm 的TC21板材，熱軋后未經熱處理（熱軋態）及固溶時效后的板材各兩塊，對其板材采用水切割方式取試樣，化學成分見表1。

板材熱處理

使用高精度（±2 °C）箱式熱處理爐對試樣進行熱處理，先選取不同固溶溫度對試樣進行固溶處理，固溶熱處理時間均為1 h，冷卻方式為空氣冷卻（AC）。對最優固溶溫度（900 °C）處理后的試樣進行不同溫度的時效處理，時效熱處理時間均為4 h，冷卻方式為空氣冷卻，固溶溫度與時效溫度見表2。

表2 板材固溶溫度與時效溫度 °C

性能測試

測試了板材的顯微組織、拉伸性能，其中板材力學性能均按標準GB/T 3621—2007 實驗方法執行，測試方向為橫向（T），為保證測試點的準確性，每個熱處理制度測試3 個樣，結果取平均值。

結果與討論

固溶溫度對板材顯微組織的影響

圖1 為板材在熱軋態及固溶處理后的橫向顯微組織照片。從圖中可以看出，熱態組織和固溶處理后的組織均為α+β 兩相區加工態組織，隨著溫度的升高，組織中初生α 相含量減少，次生α 相含量增加，組織更加均勻細小。當溫度達到900 °C 時，晶粒尺寸最小，組織最均勻。隨著熱處理溫度繼續升高，920 °C 時，已出現了β 相，溫度繼續升高至940 °C，由于退火溫度接近相變點，此時晶粒長大顯著，組織中大部分為β 相及較少的初生α 相及次生α 相。這種粗大的β 組織對綜合性能不友好。根據文獻報道，要想得到組織均勻，綜合性能優異的板材，一般都需要進行雙重熱處理[7]，下文將對經過900 °C 固溶處理的板材試樣進行時效熱處理。

圖1 板材熱軋態及不同固溶溫度處理后的顯微組織：（a）熱軋態；（b）840 °C；（c）860 °C；（d）880 °C；（e）900 °C；（f）920 °C；（g）940 °C

固溶溫度對板材力學性能的影響

圖2 為不同固溶溫度下板材橫向力學性能，可以看出，熱態板材的橫向抗拉強度（Rm）達到1307 MPa，經840 °C 退火后強度降低，隨著固溶溫度的升高，板材的抗拉強度和屈服強度（Rp0.2）呈先增大后減小的趨勢，當溫度達到900 °C 時，板材的抗拉強度和屈服強度分別達到最大值1315 MPa和1195 MPa，這是因為隨著固溶溫度的升高初生α 相含量減少，900 °C 時晶粒最細小，達到最佳的強化效果，并且較高的固溶溫度可使TC21 鈦合金在固溶退火后組織中保留更多的β 相，進而促使組織在時效處理后能析出更多的次生α 相，提高強化效果[8]。溫度繼續升高到940 °C，晶粒長大，板材強度降低。隨著固溶溫度的升高，材料的延伸率（A）和斷面收縮率（Z）先增大后減小，在860 °C 時在到最大，是因為此溫度下，材料內組織均勻，晶粒細小，材料的韌性相對較高。

圖2 不同固溶溫度下板材力學性能：（a）抗拉強度和屈服強度；（b）延伸率和斷面收縮率

時效溫度對板材顯微組織的影響

圖3 是對900 °C 固溶處理后的板材，再經過540～620 °C 固溶時效處理后的組織照片，可以看出各時效溫度下組織均為α+β 兩相區加工組織，淺色為α 相，深色為β 相，時效溫度對組織變化影響不大，經測定初生α 相的質量分數為30% 左右，600 °C 時組織最均勻，晶粒細小，等軸化最明顯，有少量次生α 相析出，在此過程中通常會得到較高的強度和塑性[8]，由此推斷此溫度下的時效效果最佳。

圖3 板材不同固溶溫度處理后的顯微組織：（a）540 °C；（b）560 °C；（c）580 °C；（d）600 °C；（e）620 °C

時效溫度對板材力學性能的影響

對900 °C 固溶后的板材進行540～620 °C 時效處理，板材的力學性能如圖4 所示?？梢钥闯鲭S著時效溫度的增大，板材強度變化不大，600 °C 時屈服強度達到最大值1275 MPa，同時抗拉強度為1350 MPa。板材的延伸率（A）變化不大，但是斷面收縮率（Z）達到最大值32.6%。

圖4 不同時效溫度下TC21 板材力學性能：（a）抗拉強度和屈服強度；（b）延伸率和斷面收縮率

結論

（1）不同固溶溫度對TC21 鈦合金板材（6.3 mm）組織有較大的影響，隨著固溶溫度的升高，組織中β 相增多，900 °C 時組織更加均勻細小，板材的強度達到最高。

（2）固溶后的板材再經過時效處理，組織和性能更加優異，600 °C 時效后屈服強度達到最大1275 MPa，斷面收縮率最高。

（3）TC21 板材（6.3 mm）選用900 °C/1 h，AC+600 °C/4 h，AC 雙重退火制度，可以得到板材的強度和塑性的良好匹配。