时效温度对TA19 钛合金棒材显微组织及性能的影响

文/葛金余，张欢，张雪敏，董轶，王文波，邱岩，王黎阳·宝鸡钛业股份有限公司

文章中研究了固溶时效热处理工艺对TA19 棒材力学性能的影响，结果表明：TA19 钛合金随着时效温度的升高，显微组织中初生α 相的体积分数和形态变化不大，次生α 相由少量到充分析出并发生了聚集长大，从而影响力学性能。在970℃固溶下，随时效温度的升高，TA19 钛合金的抗拉强度和屈服强度先上升后下降，而合金的塑性与之相反。采用970℃×1.5h AC+(570℃～600℃)×8h AC 的热处理制度，材料强度与塑性匹配较好。

钛合金因具有比强度高、中温性能和耐腐蚀性好等优点，被广泛应用于航空航天领域。TA19 合金其名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 是一种近α 型钛合金。含有α 相稳定元素Al，中性元素Sn 和Zr，同晶型β 相稳定元素Mo，共析型β 相稳定元素Si；Mo 元素的适量添加能在一定范围内改善此合金的室温与高温性能，并且能有效提高热稳定性，从而增强其装机产品的服役可靠性；而添加元素的综合作用，可保持长时间持久性能与蠕变性能；一定量Si 元素的添加在合金的局部区域引起小尺寸析出相的弥散强化，此种弥散相有利于高温蠕变性能提升，但过量Si 元素的添加，会恶化相关合金的塑性指标。该合金直到540℃还具有较高的强度，超过了TA11 合金。其比强度比TA14(Ti679）合金优越，而蠕变性能比TA11 合金还好，与TA14 合金相当。TA19 钛合金最高的长期工作温为500℃，因此被广泛应用于各种型号的航空发动机，是装备航空发动机压气机盘与转子叶片的首选材料。张永强，张哲等人研究了固溶温度和退火温度对TA19 钛合金力学性能的影响。目前关于时效温度对TA19 钛合金棒材的研究与报道较少。本文采用宝钛集团生产的TA19 钛合金棒材，研究时效温度对TA19 钛合金棒材显微组织及性能的影响，筛选出强韧匹配的热处理制度，为工业生产提供帮助。

试验材料及方法

为了研究时效温度与显微组织及力学性能之间的关系，试验采用宝钛集团生产的φ796mm 大型铸锭，该铸锭经真空自耗电弧炉三次熔炼，在β 相变点上进行开坯，并经α+β 两相区多火次锻造，最终制成规格为φ145mm 的棒材，采用金相法测得其相变温度为1010℃。试验所用试样采用线切割取样，取样部位均为棒材中心部位。其合金化学成分见表1。在该棒材上截取样段经过970℃×1.5h AC 固溶处理，再进行480℃～690℃保温8h 的时效处理，其方案见表2。

试验结果及分析

时效温度对显微组织的影响

时效处理对于此类钛合金的影响主要在于促进高温固溶产生的亚稳相按一定方式发生分解。图1 为TA19 钛合金在970℃固溶1.5h 空冷后，在480℃～690℃时效8h 后的显微组织。由图a ～h 可以看出其显微组织均为在β 基体上分布着初生α相和时效过程中析出的细长针状的次生α 相，初生α 相尺寸为9.4μm，初生α 含量在40%。随着时效温度的升高，初生α 相的体积分数和形态基本相同，但是次生α 相的形态呈现明显的区别。当在480℃～510℃时效时，由于时效温度较低，在图a、b 中只能看到少量针状α 相的存在。在时效温度升高到540℃～600℃时，在图c ～e 中可以看到针状和片层状的次生α 相数量明显增加，呈弥散分布在β 基体中，说明此时合金元素扩散程度加剧，固溶过程产生的部分α'相开始分解，析出次生α 相。当时效温度继续升高到630℃～690℃时，弥散针状次生α 相减少，次生α 相发生了聚集长大。

室温力学性能试验结果

试样整体按表2 制度进行热处理。图2 为TA19钛合金在不同时效温度下的室温拉伸性能对比图。随着时效温度的升高，TA19 钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度先升高后降低，在600℃时达到了峰值。抗拉强度为1030MPa，屈服强度为950MPa。但当时效温度升高到630℃时，由于次生α 相开始聚集长大，TA19 钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度均下降。在690℃时抗拉强度下降到了1000MPa，屈服强度下降到了940MPa。材料的断面收缩率随时效温度的升高变化不大，随着时效温度的升高，材料的断后延伸率先下降后上升。时效温度在660℃时断后延伸率下降到34%。当时效温度升高到690℃时材料的延伸率又上升至35%，这是由于在510℃以下时时效温度较低，α'相未能充分分解。当时效温度升高到由540℃～600℃这一阶段，α'相大量分解转变成细小的针状次生α 相，呈弥散分布在β 基体中，弥散强化效果增强，由于单位面积内细小弥散相的大量出现，位错绕过弥散次生相的难度增加，使得位错的运动变得更加困难，故而引起材料强度升高和塑性下降。当时效温度升高至630℃～690℃这一阶段，β 基体中细小的针状次生α 相长大成粗大棒状的次生α 相。次生α 相尺寸的增长和弥散针状次生α 相的减少，引起弥散强化效果减弱。故而材料的强度下降而塑性有所提升。

图2 不同时效温度下的TA19 室温拉伸性能对比图

高温力学性能试验结果

试样整体按表2 制度进行热处理。图3 为TA19钛合金在不同时效温度下的480℃高温拉伸性能对比图。由图3 可以看出，随着时效温度的升高，材料的抗拉强度和屈服强度先升高后降低，抗拉强度在570℃达到峰值749MPa，屈服强度在630℃达到峰值592MPa,当时效温度超过630℃时，由于次生α 相尺寸的增大，单位面积内针状次生α 相数量的减少，弥散强化效果逐渐减弱，材料的抗拉强度和屈服强度均下降。随时效温度的升高，材料的断面收缩率变化不大，材料的断后延伸率先下降后升高。

图3 不同时效温度下的TA19 棒材高温拉伸性能对比图

结论

本文主要对两相区加工的TA19 钛合金棒材进行了固溶时效热处理。研究时效温度对TA19 钛合金棒材显微组织和力学性能的影响，得出以下结论：

⑴随着时效温度的升高，显微组织中初生α 相的体积分数和形态变化较小，次生α 相的析出由少量到充分析出并且发生聚集长大。

⑵在970℃固溶下，TA19 钛合金棒材随着时效温度的升高，抗拉强度和屈服强度先升高后降低，断后延伸率先降低后升高。

⑶在TA19 钛合金棒材生产中，采用970℃×1.5h AC+(570℃～600℃)×8h AC 的热处理制度，材料的强度与塑性匹配较好。