文章编号：1004-0609(2010)S1-s0587-06
TC18钛合金室温拉伸性能与热处理制度的关系
贾百芳1, 2，杨 义2，周 伟2，葛 鹏2，冯 亮2，杨冠军2
(1. 西安建筑科技大学 冶金工程学院，西安 710055；2. 西北有色金属研究院 钛合金研究所，西安 710016)
摘 要：研究了TC18钛合金的室温拉伸性能与α+β相区固溶温度和时效温度的关系。结果表明：在时效前，随固溶温度的升高，合金的强度和塑性均下降；在同一时效温度处理后，随固溶温度的升高，合金的强度提高，塑性下降，同时时效强化效果提高；在同一固溶温度处理后，随时效温度的升高，合金的强度下降，塑性提高。合金性能的上述变化与热处理后组成相的参数差异有关。
关键词：TC18钛合金；固溶；时效；拉伸性能
中图分类号：TG115.5+2；TG146.2+3 文献标志码：A
Relationship between heat treatment process and room-temperature tensile properties of TC18 titanium alloy
JIA Bai-fang1,2, YANG Yi2, ZHOU Wei2, GE Peng2, FENG Liang2, YANG Guan-jun2
(1. School of Metallurgical Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;
2. Titanium Alloy Research Center, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)
Abstract: The relationships between room-temperature tensile properties of TC18 titanium alloy and solution (α+β phase region) as well as aging temperatures were investigated. It is found that with the increase of the solution temperature, both the strength and plasticities decrease before aging treatment, the strengths increase and the plasticities decrease after aging at a same temperature, and the aging strengthening effect increases. After solution at a same temperature, with the increase of the aging temperature, the strengths decrease and the plasticities increase. The above changes of the properties result from the different parameters of phases after heat treatment.
Key words: TC18 titanium alloy; solution treatment; aging; tensile properties
BT22钛合金是前苏联在20世纪70年代研制成功的一种高合金化、近β型钛合金，国内相应牌号为TC18。该合金具有良好的强/塑性和强/韧性匹配，淬透性可达250 mm。在前苏联和俄罗斯各型飞机机体和起落架的大型承力件上得到了广泛的应用[1]。作为高合金化的两相合金，TC18钛合金显微组织和力学性能对热处理工艺参数的变化很敏感[2]。以前对TC18钛合金热处理制度的研究主要针对时效温度展开，获得了强度与时效温度关系的经验公式[3]。本文作者通过实验研究固溶和时效温度对TC18钛合金显微组织和室温拉伸性能的影响。
1 实验
按照Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(质量分数，%)的成分配料，真空自耗法3次熔炼，严格控制杂质元素(特别是O、N等的含量)。1 150 ℃开坯，890 ℃镦拔，然后在810 ℃锻造成60 mm×100 mm的方棒。在锻后的棒材上截取部分试样，用金相法测得TC18钛合金的相转变温度为(875±5) ℃。从同一支棒材上另取部分试样，按表1所示的热处理制度进行热处理。在不同热处理状态的样品上截取拉伸试样，在DCS-25T拉伸试验机上进行拉伸试验。从拉伸实验后的样品上切取金相样品，金相观察在Olympus PMG3光学显微镜上进行，采用Kross腐蚀液腐蚀。另外截取0.8 mm厚的透射样，用机械方法减薄至0.03 mm，然后用MTD-1A磁力驱动双喷电解减薄器减薄，双喷液为20%高氯酸+30%正丁醇+50%甲醇(体积分数)，双喷时使用液氮冷却双喷液，温度在-30 ℃左右，工作电压为15~20 V。
表1 实验TC18合金的热处理制度
Table 1 Heat treatments of studied TC18 alloy
2 结果与分析
2.1 拉伸性能与热处理温度的关系
图1所示为合金室温拉伸性能随固溶温度的变化曲线。由图1可见：在时效前，随着固溶温度的升高，合金的强度和断面收缩率呈下降趋势，抗拉强度由约980 MPa下降至约900 MPa，断面收缩率由约65%下降至约35%；而合金的伸长率基本保持在15%左右。在500 ℃时效时，随着固溶温度的升高，合金的抗拉强度由约1 370 MPa提高至约1 700 MPa，强度提高约330 MPa，断面收缩率由约50%降至约3%，合金的伸长率也由约10%下降至约4%。550 ℃时效时，合金的抗拉强度由约1 270 MPa提高至约1 450 MPa，强度提高约180 MPa，断面收缩率由约55%下降至约20%，
图1 室温拉伸性能随固溶温度的变化曲线
Fig.1 Curves of room-temperature tensile properties at different solution temperatures: (a) Before aging; (b) 500 ℃, 5 h, AC; (c) 550 ℃, 5 h, AC; (d) 600 ℃, 5 h, AC
伸长率由约10%下降至约5%。600 ℃时效时，合金的抗拉强度由约1 170 MPa提高至约1 350 MPa，断面收缩率由约60%下降至约37%，伸长率由约13%下降至约10%。
图2所示为室温拉伸性能随时效温度的变化曲线。由图2可知：TC18钛合金的强度与时效前相比均有很大程度的提高，塑性则下降很大。在750 ℃固溶、 500 ℃时效时，合金的抗拉强度较时效前相比提高约350 MPa，断面收缩率下降约10%，而伸长率下降约5%，随着时效温度的升高，合金的强度下降约200 MPa，断面收缩率提高约10%，伸长率在13%左右。固溶时效后的强度都在1 200至1 450 MPa之间波动，伸长率也相应地在5%至17%之间波动。
2.2 热处理制度对显微组织和力学性能的影响
不同的固溶及时效温度对TC18钛合金室温力学性能的影响是通过调整其显微组织而实现的，所以，研究其不同热处理制度时的显微组织显得尤为重要。
图3所示为时效前在不同固溶温度下处理的合金的金相组织。可见，随着固溶温度的升高，合金中初生α相的含量减少(见图3、图4)。图5所示为Ti-Al二元平衡相图(假定合金在成分范围中两相区和单相区的边界为直线)，根据杠杆定律，随着固溶温度的升高，合金的相组成将发生变化，初生α相的含量减少，β相的含量增多，造成α与β两相相界面减少，第二相强化效果减弱。所以，在时效前，随着固溶温度的升高，合金的强度降低。
图6所示为在500 ℃时效条件下，不同固溶温度的次生α相的TEM暗场像。由图5可知：随着固溶温度的升高，合金中初生α相的含量减少，β相的含量增多，由于合金中β稳定元素的含量一定，所以β相含量的增多将导致β相中β稳定元素含量的减少，在时效条件下，β相的稳定性将减弱，亚稳定β相将越容易分解，时效强化效果将增强。由图6可看出:随着固溶温度的升高，在β转变基体中析出的次生α相的弥散程度增大，所以，合金的强度较时效前有很
图2 室温拉伸性能随时效温度的变化曲线(25℃为时效前的值)
Fig.2 Curves of room-temperature tensile properties at different aging temperatures (Values of 25 ℃ correspond to alloys before aging): (a) 750 ℃, 1.5 h, WQ; (b) 780 ℃, 1.5 h, WQ; (c) 810 ℃, 1.5 h, WQ; (d) 840 ℃, 1.5 h, WQ
图3 不同固溶温度合金的SEM像
Fig.3 SEM images of TC18 alloy at different solution temperatures before aging: (a) 750 ℃, 1.5 h, WQ; (b) 780 ℃, 1.5 h, WQ; (c) 810 ℃, 1.5 h, WQ; (d) 840 ℃, 1.5 h, WQ
图4 固溶温度对初生α相体积分数的影响
Fig.4 Effect of solution temperature on volume fraction of primary α phase
大程度的提高，并且随着固溶温度的升高，合金的强度提高，而塑性下降。
图7所示为在780 ℃固溶时，不同时效温度的次
图5 Ti-Al二元平衡相图及杠杆定律示意图
Fig.5 Phase diagram of Ti-Al binary system and sketch map of lever law
生α相TEM暗场像。由图7可知：经500 ℃时效后，从基体中析出细小弥散分布的次生α相，因此，弥散强化效果好，而随着时效温度的升高，次生α相开始长大，经600 ℃时效后，次生α相长成长条状，弥散
图6 不同固溶温度的次生α相TEM暗场像
Fig.6 Dark field images of secondary α at different solution temperatures: (a) (750 ℃, 1.5 h, WQ)+(500 ℃, 5 h, AC); (b) (780 ℃, 1.5h, WQ)+(500 ℃, 5 h, AC); (c) (810 ℃, 1.5 h, WQ)+(500 ℃, 5 h, AC)
强化效果降低。由此可见，适当的时效温度能控制次生α相的尺寸，从而获得符合要求的性能。
由以上分析可知，在时效前，固溶温度通过影响初生α相及β相的含量进而影响合金的强度。在时效处理条件下，固溶温度通过影响淬火β相中合金元素的含量影响次生α相的形态和分布进而影响合金的 强度。
图7 不同时效温度的次生α相TEM暗场像
Fig.7 Dark field images of secondary α at different aging temperatures: (a) (780 ℃, 1.5 h, WQ)+(500 ℃, 5 h, AC); (b) (780 ℃, 1.5 h, WQ)+(550 ℃, 5 h, AC); (c) (780 ℃, 1.5 h, WQ)+(600 ℃, 5 h, AC)
3 结论
1) 在时效前，随着固溶温度的升高，合金的强度和塑性均下降。在同一时效温度处理后，随着固溶温度的升高，合金的强度升高，塑性下降。在同一固溶温度处理后，随时效温度的升高，合金的强度下降，塑性提高。
2) 在时效前，固溶温度通过影响初生α相的含量进而影响合金的强度，在时效处理条件下，固溶温度通过影响淬火β相中合金元素的含量影响次生α相的形态和分布进而影响合金的强度。
REFERENCES
[1] 于兰兰, 毛小南, 张鹏省, 赵永庆, 袁少冲. 热处理工艺对BT22钛合金组织和性能的影响[J]. 稀有金属快报, 2005, 24(3): 21-23.
YU Lan-lan, MAO Xiao-nan, ZHANG Peng-sheng, ZHAO Yong-qing, YUAN Shao-chong. Effect of heat treatment on structure and property of TC18 titanium alloy [J]. Rare Metal Letters, 2005, 24(3): 21-23.
[2] 沙爱学, 李兴元, 王庆如. 固溶制度对TC18钛合金拉伸性能和显微组织的影响[C]//第十二届中国有色金属学会材料科学与合金加工学术研讨会文集, 2007: 440-444.
SHA Ai-xue, LI Xing-yuan, WANG Qing-ru. Effect of solution treatment on tensile property and microstructure of TC18 titanium alloy [C]// The Twelfth Chinese Nonferrous Metals Academy Proseminar Corpus of Material Science and Alloy Process. 2007: 440-444.
[3] 沙爱学, 李兴元. 热处理工艺参数对TC18钛合金显微组织和力学性能的影响[J]. 材料工程, 2002, 208(增刊): 23-26.
SHA Ai-xue, LI Xing-yuan. Effect of heat treatment parameter on microstructure and property of TC18 titanium alloy [J]. Journal of Materials Engineering, 2002, 28(S): 23-26.
(编辑 杨 兵)
基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613805)；国家科技支撑计划资助项目(2007BAE07B03)
通信作者：贾百芳，硕士研究生；电话：029-86231078；E-mail：xinyi6065@163.com
