双重退火工艺对TC21 钛合金板材组织和性能的影响

供稿|巨朝飞，苗阳，齐航，雷挺，吴家兴 / JU Zhaofei, MIAO Yang, QI Hang, LEI Ting, WU Jiaxing

内容导读

通过热轧的方式制备出TC21 板材，并对TC21 板材在经不同热处理制度处理后的抗拉强度、显微组织、延伸率和断面收缩率进行了检测，得出了双重退火制度对板材性能和组织的影响规律。TC21 板材经900 °C/1 h 固溶处理，600 °C/4 h 时效处理后显微组织均匀，晶粒细小，均为α+β 转变组织，此制度下的板材性能最优，抗拉强度达到1350 MPa，屈服强度达到1275 MPa，板材的延伸率变化不大，断面收缩率达到最大值32.6%。

TC21 是我国自主研发的高强高韧钛合金，名义成分为Ti-6.4Al-3Mo-1.9Nb-2.1Zr-2Sn-1.5Cr，经固溶处理后，其抗拉强度可以达到1100 MPa 以上。因其优异的综合性能，已在国内宇航领域获得大量使用[1-3]。由于TC21 合金强度高，加工难度大，前期国内主要以锻造方式生产棒材和锻件。对于TC21 合金锻造产品已进行大量研究工作[4-6]，而本文则针对厚度为6.3 mm 的板材开展热处理工艺对其性能和组织影响的研究，为后续工业化生产提供技术支持。

实验材料及方法

实验材料

坯料为在相变点以下30～50 °C 锻造板坯，其规格为153 mm×502 mm×802 mm。铸锭采用3 次真空自耗电弧熔炼（VAR）熔炼，铸锭扒皮、切冒口处理，铸锭头部取样采用金相法检测相变点为970 °C。经过三火次轧制生产工艺制备出厚度6.3 mm 的TC21板材，热轧后未经热处理（热轧态）及固溶时效后的板材各两块，对其板材采用水切割方式取试样，化学成分见表1。

板材热处理

使用高精度（±2 °C）箱式热处理炉对试样进行热处理，先选取不同固溶温度对试样进行固溶处理，固溶热处理时间均为1 h，冷却方式为空气冷却（AC）。对最优固溶温度（900 °C）处理后的试样进行不同温度的时效处理，时效热处理时间均为4 h，冷却方式为空气冷却，固溶温度与时效温度见表2。

表2 板材固溶温度与时效温度 °C

性能测试

测试了板材的显微组织、拉伸性能，其中板材力学性能均按标准GB/T 3621—2007 实验方法执行，测试方向为横向（T），为保证测试点的准确性，每个热处理制度测试3 个样，结果取平均值。

结果与讨论

固溶温度对板材显微组织的影响

图1 为板材在热轧态及固溶处理后的横向显微组织照片。从图中可以看出，热态组织和固溶处理后的组织均为α+β 两相区加工态组织，随着温度的升高，组织中初生α 相含量减少，次生α 相含量增加，组织更加均匀细小。当温度达到900 °C 时，晶粒尺寸最小，组织最均匀。随着热处理温度继续升高，920 °C 时，已出现了β 相，温度继续升高至940 °C，由于退火温度接近相变点，此时晶粒长大显著，组织中大部分为β 相及较少的初生α 相及次生α 相。这种粗大的β 组织对综合性能不友好。根据文献报道，要想得到组织均匀，综合性能优异的板材，一般都需要进行双重热处理[7]，下文将对经过900 °C 固溶处理的板材试样进行时效热处理。

图1 板材热轧态及不同固溶温度处理后的显微组织：（a）热轧态；（b）840 °C；（c）860 °C；（d）880 °C；（e）900 °C；（f）920 °C；（g）940 °C

固溶温度对板材力学性能的影响

图2 为不同固溶温度下板材横向力学性能，可以看出，热态板材的横向抗拉强度（Rm）达到1307 MPa，经840 °C 退火后强度降低，随着固溶温度的升高，板材的抗拉强度和屈服强度（Rp0.2）呈先增大后减小的趋势，当温度达到900 °C 时，板材的抗拉强度和屈服强度分别达到最大值1315 MPa和1195 MPa，这是因为随着固溶温度的升高初生α 相含量减少，900 °C 时晶粒最细小，达到最佳的强化效果，并且较高的固溶温度可使TC21 钛合金在固溶退火后组织中保留更多的β 相，进而促使组织在时效处理后能析出更多的次生α 相，提高强化效果[8]。温度继续升高到940 °C，晶粒长大，板材强度降低。随着固溶温度的升高，材料的延伸率（A）和断面收缩率（Z）先增大后减小，在860 °C 时在到最大，是因为此温度下，材料内组织均匀，晶粒细小，材料的韧性相对较高。

图2 不同固溶温度下板材力学性能：（a）抗拉强度和屈服强度；（b）延伸率和断面收缩率

时效温度对板材显微组织的影响

图3 是对900 °C 固溶处理后的板材，再经过540～620 °C 固溶时效处理后的组织照片，可以看出各时效温度下组织均为α+β 两相区加工组织，浅色为α 相，深色为β 相，时效温度对组织变化影响不大，经测定初生α 相的质量分数为30% 左右，600 °C 时组织最均匀，晶粒细小，等轴化最明显，有少量次生α 相析出，在此过程中通常会得到较高的强度和塑性[8]，由此推断此温度下的时效效果最佳。

图3 板材不同固溶温度处理后的显微组织：（a）540 °C；（b）560 °C；（c）580 °C；（d）600 °C；（e）620 °C

时效温度对板材力学性能的影响

对900 °C 固溶后的板材进行540～620 °C 时效处理，板材的力学性能如图4 所示。可以看出随着时效温度的增大，板材强度变化不大，600 °C 时屈服强度达到最大值1275 MPa，同时抗拉强度为1350 MPa。板材的延伸率（A）变化不大，但是断面收缩率（Z）达到最大值32.6%。

图4 不同时效温度下TC21 板材力学性能：（a）抗拉强度和屈服强度；（b）延伸率和断面收缩率

结论

（1）不同固溶温度对TC21 钛合金板材（6.3 mm）组织有较大的影响，随着固溶温度的升高，组织中β 相增多，900 °C 时组织更加均匀细小，板材的强度达到最高。

（2）固溶后的板材再经过时效处理，组织和性能更加优异，600 °C 时效后屈服强度达到最大1275 MPa，断面收缩率最高。

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