雙重退火工藝對TC21鈦合金板材組織和性能的影響

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1100MPa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。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，而本文則針對厚度為6.3mm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。

1、實驗材料及方法

1.1實驗材料

坯料為在相變點以下30~50℃鍛造板坯，其規格為153mm×502mm×802mm。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℃。經過三火次軋制生產工藝制備出厚度6.3mm的TC21鈦合金板材，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。

表1板材化學成分（質量分數）%

1.2板材熱處理

使用高精度（±2℃）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1h，冷卻方式為空氣冷卻（AC）。對最優固溶溫度（900℃）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4h，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

1.3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/T3621—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。

2、結果與討論

2.1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℃時，晶粒尺寸最小，組織最均勻。隨著熱處理溫度繼續升高，920℃時，已出現了β相，溫度繼續升高至940℃，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，下文將對經過900℃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）860℃；（d）880℃；（e）900℃；（f）920℃；（g）940℃

2.2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1307MPa，經840℃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℃時，板材的抗拉強度和屈服強度分別達到最大值1315MPa和1195MPa，這是因為隨著固溶溫度的升高初生α相含量減少，900℃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。溫度繼續升高到940℃，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℃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

2.3時效溫度對板材顯微組織的影響

圖3是對900℃固溶處理后的板材，再經過540~620℃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℃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，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℃；（b）560℃；（c）580℃；（d）600℃；（e）620℃

2.4時效溫度對板材力學性能的影響

對900℃固溶后的板材進行540~620℃時效處理，板材的力學性能如圖4所示。可以看出隨著時效溫度的增大，板材強度變化不大，600℃時屈服強度達到最大值1275MPa，同時抗拉強度為1350MPa。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

3、結論

（1）不同固溶溫度對TC21鈦合金板材（6.3mm）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℃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℃時效后屈服強度達到最大1275MPa，斷面收縮率最高。

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