热处理对TC16钛合金棒材显微组织和力学性能的影响

李英浩，贺 飞，侯峰起，王飞云，何 星，赖运金，刘向宏

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)

(2.中航工业沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110035)

0 引言

TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)钛合金是一种紧固件专用钛合金，具有比强度高，对缺口、扭转等应力集中敏感性小，耐蚀性良好和无磁性等优点，被广泛应用于航空航天领域［1－2］。TC16钛合金紧固件主要有热镦和冷镦两种制备方法，采用冷镦技术不需要使用加热设备和保护介质，生产效率高，而且生产的TC16钛合金紧固件力学性能好，精度高，表面质量好，特别适合大批量生产［3－4］。研究表明，材料的冷镦变形能力与塑性、剪切强度和组织有关［5－6］。吴崇周、李兴无等认为TC16钛合金网篮组织和等轴组织在一定条件下都可以按1∶4的冷镦比进行冷镦［7］。由于在工业化生产中等轴组织比网篮组织更易控制，因此本工作主要通过调整具有等轴组织的TC16钛合金棒材的热处理制度来优化棒材的显微组织和力学性能，为工业化生产提供借鉴。

1 实验

实验材料为轧制生产的φ9.5 mm TC16钛合金棒材，其化学成分如表1所示。采用金相法测得其相变点为870～875℃。将φ9.5 mm的TC16钛合金棒材在西安航空发动机(集团)有限公司的箱式电阻炉内按照表2中的试验方案进行热处理，采用Instron-4507拉力实验机检测热处理前后棒材的力学性能。采用LEICA MEF4A倒立金相显微镜观察热处理前后棒材的组织形貌。

表1 TC16钛合金棒材的化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC16 titanium alloy bars

表2 TC16钛合金棒材热处理试验方案Table 2 Heat treatment schedules of TC16 titanium alloy bars

2 结果与讨论

2.1 TC16钛合金棒材加工态显微组织

TC16钛合金棒材加工态的显微组织见图1。从图中可以看出，显微组织是由多边形、椭圆形和短棒状的初生α相组成的混合组织。

图1 TC16钛合金棒材加工态显微组织Fig.1 Microstructure of TC16 titanium alloy bars

2.2 热处理对TC16钛合金显微组织的影响

图2为TC16钛合金棒材在780℃保温2 h，炉冷至不同温度后空冷的显微组织。

图2 TC16钛合金棒材在780℃保温2 h，炉冷至不同温度后空冷的显微组织Fig.2 Microstructures of TC16 titanium alloy bars after annealing at 780℃for 2 h and cooling to different temperatures

采用热轧方式制备的TC16钛合金棒材通常需要通过热处理消除残余应力，软化合金，改善综合性能。研究表明，退火时TC16钛合金的塑性因再结晶程度增加而提高，而后随着晶粒的长大而降低［5］。在两相区较低温度下热处理时，由于只发生回复和再结晶，晶粒仍然很细小，其塑性较好，强度也较高。因此，TC16钛合金棒材的热处理温度一般选择780℃左右。

从图2可以看出，TC16钛合金的显微组织对热处理出炉温度比较敏感，在650～450℃温度范围内，随着出炉温度的降低，初生α相比例减小，β转相增加，这与炉冷至不同温度，亚稳β组织中次生相的析出、长大程度不同有关。当出炉温度为530℃(A4)时，显微组织的均匀性最好。

图3为TC16钛合金棒材经过不同双重热处理后的显微组织。从图3可以看出，随着第二级退火温度的降低，初生α相的尺寸和体积分数均明显下降。这是因为试样尺寸较小(φ9.5 mm)，第一级780℃退火后，冷却速度较快，次生α相未能完全转变析出，在第二级退火的保温过程中，温度越低越不利于再结晶和回复，导致初生α相尺寸较小，等轴化程度较低，次生α相也难以长大。

图3 TC16钛合金棒材经过不同双重热处理后的显微组织Fig.3 Microstructures of TC16 titanium alloy bars after different dual heat treatments

图4为TC16钛合金棒材在780℃保温2 h后经不同方式冷却的显微组织。由图4可见，冷却方式对显微组织的影响并不明显，只是水冷后(方案C2)初生α相的比例有所下降;而炉冷至530℃后空冷(方案A4)初生α相略粗大些。原因是不同冷却方式冷却到室温所需时间不同，导致晶粒长大程度不同。

图4 TC16钛合金棒材在780℃保温2 h后采用不同方式冷却的显微组织Fig.4 Microstructures of TC16 titanium alloy bars at different cooling rates

2.3 热处理对TC16钛合金棒材力学性能的影响

研究表明，热处理可以使TC16钛合金获得较低的强度和较高的塑性［5］。φ9.5 mm TC16钛合金棒材经过不同制度热处理后的室温力学性能如图5所示。图5a为TC16钛合金棒材热加工态与在780℃保温2 h后炉冷到不同温度(450～650℃)后空冷的室温力学性能对比图。从图5a可以看出，与加工态相比，经过热处理后的TC16钛合金棒材力学性能变化非常明显，抗拉强度Rm降幅约为20%，剪切强度τ降幅约为10%，而塑性指标延伸率A和断面收缩率Z则明显提升，尤其是A。对于热处理前后的性能变化规律，图5b、c与图5a是一致的。这是由于钛合金在热加工过程中发生了加工硬化，存在大量变形位错，塞积在晶界和晶内，使得合金强度增加，塑性降低。这些位错在热处理过程中重新排列或相互抵消，同时初生α相发生静态再结晶，导致室温拉伸和剪切强度下降，塑性提升。而延伸率变化更加显著的原因是加工态TC16钛合金棒材组织均匀性较差(见图1)，通过热处理后，组织的整体均匀性得到了很大改善，有助于提高合金的延伸率。从图5中还可以看出，炉冷温度在650～450℃时，随着出炉温度的下降，强度和塑性均呈现先升高后降低的现象，热处理制度为A4时，TC16钛合金棒材的强度和塑性匹配最好，这与A4状态的显微组织均匀性最好相符。从整体趋势来看，无论是强度还是塑性，6种炉冷状态的性能差异并不大。

图5 TC16钛合金棒材经过不同制度热处理后的室温力学性能Fig.5 Mechanical properties at room temperature of TC16 titanium alloy bars after different heat treatments

图5b为TC16钛合金棒材加工态与不同温度双重热处理后的室温力学性能对比图。从图5b可以看出，经双重热处理后，随着第二级退火温度的下降，TC16钛合金棒材的室温强度呈现递增的现象，而塑性呈现递减的现象。从图3中的显微组织可以看出，经过双重热处理后，第二级温度越低，晶粒越细小，使得强度上升，但由于组织均匀性较差，导致塑性下降。将双重热处理和炉冷处理的TC16钛合金小棒材的性能数据进行对比可以发现，双重热处理后TC16钛合金棒材的强度明显高于炉冷处理，但塑性有所降低，尤其是第二级退火温度为550℃时。这与初生α相的比例和等轴化程度有关(见图3)。

图5c为TC16钛合金棒材加工态与780℃保温2 h、不同方式冷却后的室温力学性能对比图。由图5c可以看出，不同的冷却方式对TC16钛合金棒材抗拉强度Rm和剪切强度τ的影响不明显，但水冷时塑性指标A和Z出现极小值。这与冷却过程中马氏体的分解和次生相的析出有关，水冷时马氏体未发生分解，次生相来不及析出(见图4)，导致塑性下降。TC16钛合金棒材在780℃保温2 h，炉冷至530℃后空冷的综合性能较好。

3 结论

(1)TC16钛合金棒材热处理前后显微组织和力学性能均发生明显变化，这与热处理过程中发生的静态再结晶有关。

(2)TC16钛合金棒材双重热处理与炉冷处理相比塑性较低，强度较高;水冷后塑性较低，空冷后强度和塑性均比炉冷低。

(3)TC16钛合金棒材在780℃保温2 h，炉冷至530℃后空冷的综合性能较优。

［1］Nielsen L S，Lassen S，Andersen C B.Development of a flexible tool system for small quantity production in cold forging［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，71(1):36－42.

［2］刘风雷.我国航空钛合金紧固件的发展［J］.航空制造技术，2000(6):39－40，55.

［3］张振刚，宋昊，吴国清，等.热处理工艺与Ti-3Al-5Mo-5V钛合金显微组织间的定量关系［J］.材料工程，2006(增刊1):313－316.

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［5］吴崇周.退火制度对TC16钛合金组织和性能的影响［J］.金属学报，2002，38(增刊1):94－96.

［6］鲍利索娃E A.钛合金金相学［M］.陈石卿，译.北京:国防工业出版社，1986.

［7］吴崇周，李兴无.TC16钛合金室温变形特性研究［J］.钛工业进展，2006，23(6):17－19.