文章编号：1004-0609(2013)S1-s0418-06

不同热处理工艺对TC4-DT钛合金厚板组织和力学性能的影响

雷文光^{1, 2}，毛小南²，杨冠军¹，韩  栋²，李  磊²

(1. 西北工业大学 材料科学与工程学院，西安 710012；

2. 西北有色金属研究院 钛合金研究所，西安 710016)

摘  要：研究几种不同热处理工艺对TC4-DT钛合金厚板显微组织和力学性能的影响。结果表明：TC4-DT合金在两相区固溶处理得到等轴或双态组织，其室温拉伸性能较好，而经过β相区固溶处理得到片层组织具有较好的断裂韧性；通过控制β相区固溶处理时的冷却速度以及第二重热处理时的温度以及冷却速度，可以获得不同的α片层组织，从而改善其断裂韧性。采用(1 010 ℃, 45 min, AC)+(965 ℃, 1.5 h, AC)+(550 ℃, 8 h, AC)多重热处理工艺，可实现合金强度-塑性-韧性的较好匹配，获得优良的综合性能。

关键词：TC4-DT钛合金；板材；多重热处理；显微组织；力学性能

中图分类号：TG294　　     文献标志码：A

Effects of different heat treatments on microstructure and mechanical properties of TC4-DT titanium alloy plate

LEI Wen-guang^{1, 2}, MAO Xiao-nan², YANG Guan-jun¹, HAN Dong², LI Lei²

(1. School of Materials Science and Engineering, Northwest Polytechnical University, Xi’an 710012, China;

2. Titanium Alloy Research Center, Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

Abstract: The effects of different heat treatments on microstructure and mechanical properties of TC4-DT alloy were discussed. The results show that the sample with equiaxed or duplex microstructure after two phase field heat treatment has better room temperature tensile properties, while the sample with lamellar microstructure after β phase field heat treatment has better fracture toughness. The different thicknesses of α lamellar are obtained by controlling the cooling rates from β phase field solution treatment, temperature and cooling rates of secondary heat treatment, which improves the fracture toughness. The excellent matching of strength, ductility and fracture toughness are obtained after multi heat treatment of (1 010 ℃, 45 min, AC)+(965 ℃, 1.5 h, AC)+(550 ℃, 8 h, AC).

Key words: TC4-DT titanium alloy; plate; multiple heat treatment; microstructure; mechanical properties

随着损伤容限思想在结构材料设计中的广泛应用，开发损伤容限型钛合金已成为各国争相研究的重点^[1]，国内外先后开发了一批具有较高的断裂韧度和疲劳裂纹扩展抗力的损伤容限型钛合金，如美国的Ti-6Al-4V ELI^[2]、Ti-62222S^[3]以及中国自主研制的TC2l^[4]、TC4-DT^[5]等。将该类合金在两相区固溶加时效处理得到等轴或双态组织，可以获得高强度、高塑性以及优异的疲劳性能，但是抗疲劳裂纹扩展能力以及断裂韧性较低，而经过β区热处理得到具有原始β晶粒的片层组织，使合金具有优异的断裂韧性以及抗裂纹扩展能力^[6]，抗拉强度略低于等轴或双态组织，但塑性较差，在一定程度上限制了β区固溶工艺参数的应用^[7]。通过改善热处理工艺控制片层组织的参数，解决片层组织的塑性问题实现强度-塑性-韧性的最佳匹配一直是钛合金β热处理的技术难题^[8]。

TC4-DT钛合金作为我国自主研制的一种损伤容限型钛合金，对强度、塑性、断裂韧性和裂纹扩展速率提出了更高的要求，有望成为飞机用整体隔框、梁、以及直升机用传动部件等关键承力构件^[9-10]。本文作者采用两相区固溶+时效、多重热处理，单相区固溶+时效的热处理工艺，研究不同热处理制度对TC4-DT钛合金显微组织和力学性能的影响，为获得该合金强度-塑性-韧性最佳匹配的热处理工艺提供依据。

1  实验

实验材料为经3次真空自耗电弧熔炼制备的d460 mmTC4-DT钛合金铸锭，在β区开坯锻造后，并在两相区加工成25 mm厚的板材。合金的化学成分见表1，用金相法测得合金的相变点为(975±5) ℃。板材的原始组织如图1所示，为细小的等轴组织，无明显加工流线，有部分细条状α相。

表1  TC4-DT合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of TC4-DT alloy (mass fraction, %)

图1  实验用TC4-DT合金原始显微组织

Fig. 1  Original microstructure of TC4-DT alloy for experiment

采用箱式电阻炉(控温精度为±5 ℃)，分别对TC4-DT钛合金进行不同制度的热处理(见表2)，然后在Instron 1 185万能力学试验机上进行室温拉伸性能及断裂韧性测试，拉伸试样工作段直径为5 mm，断裂韧性试样为B=25 mm的C(T)试样。用OLYMPUS PMG3光学显微镜观察合金的显微组织，金相腐蚀剂配比为V( HF)︰V( HNO₃)︰V( H₂O)=1︰3︰7。

表2  TC4-DT合金热处理制度

Table 2  Heat treatments of TC4-DT alloy

2  结果与分析

2.1  不同热处理对合金显微组织的影响

2.1.1  两相区固溶+时效对合金显微组织的影响

图2(a)~(c)所示分别为TC4-DT钛合金在两相区经不同温度固溶+时效处理后的显微组织。由图2可见，合金组织为典型的双态组织，由初生α相+β转变组织组成。随着固溶温度的升高，初生α相含量逐渐减少，β转变组织中的次生α相含量增多并有所粗化。930 ℃固溶处理时的初生α相含量约为50%左右，α相被拉长成断续状，无明显晶界(见图2(a))；随着固溶温度升高，初生α相向β相基体溶解，950 ℃固溶处理时的初生α相含量约为30%左右，拉长的初生α相发生球化，生成部分球状α(见图2(b))；当固溶温度继续升高至965 ℃时，初生α相进一步球化，含量减少至10%左右，可看见连续清晰的晶界α相生成，晶粒内析出的次生α片层增厚(见图2(c))。

图2  TC4-DT合金两相区不同固溶温度下的显微组织

Fig. 2  Microstructures of TC4-DT alloy after solution treatment at α+β phase field

2.1.2  多重热处理对合金显微组织的影响

TC4-DT钛合金经第一重热处理，空冷后得到魏氏组织(见图3(a))，将其在两相区经第二重热处理后得到如图4所示的显微组织。由于第二重热处理在两相区进行，部分α相将转变为β相，且第二重固温度越高转变而成的β相越多，在随后的冷却过程中β相又转变为细小的次生α相。未转变成β相的片层称为初生α片层(见图4(a))，初生α片层较粗大，初生α片层之间分布有细小的次生α片层。对比图4(a)和(b)可以看出，在930 ℃进行第二重热处理时，由于只有少量的α相转变为β相，所以空冷后的组织中没有出现明显的次生α片层；随着第二重固溶温度提高到950 ℃，次生α片层数量增多，且初生α片层有增厚的趋势。图4(c)所示为在950 ℃进行第二重热处理后的炉冷组织。由图4(c)可见，在长条状初生α片层之间分布数量较多的短粗状次生α片，由于冷却速度较慢，初生α片层和次生α片层均增厚，且次生α片层长度受到初生α片层间距的限制。图4(d)所示为经过第二重热处理后的水冷组织。由图4(d)可见，由于冷却速度较快，两相区固溶形成的β相转变为细小的针状α′相，显微组织与图3(b)所示的马氏体组织类似，但是α′相含量较之更少。

图3  TC4-DT合金经单相区固溶后在不同冷却条件下的显微组织

Fig. 3  Microstructures of TC4-DT alloy by different cooling rates after β heat-treatment

水冷后的马氏体组织(见图3(b))在两相区经第二重热处理后空冷得到如图5(a)和(b)所示的显微组织。由图5(a)和(b)可以看出，水冷得到的马氏体组织在两相区保温后形成粗大的α片层组织，粗大的α片层厚度大约为8 μm，明显大于图4(a)和(b)中α片层厚度。在两相区第二重热处理时，只有少量α相发生转变，并不能形成大量的β相，且空冷时冷却较快，α相来不及扩散并长大。因此，图5(a)和(b)中粗大的α片层应该是由第一重热处理生成的马氏体直接分解而成的，而不是由马氏体转变为β相再由β相转变而成的，与图4(a)和(b)中生成的组织形成机理不同。

图4  空冷后得到的片层组织经两相区不同热处理得到的显微组织

Fig. 4  Microstructures of air-cooled lamellar after secondary treatment at α+β phase field

图5  水冷后得到的马氏体组织经两相区不同热处理得到的显微组织

Fig. 5  Microstructures of water-quenched martensite after secondary treatment at α+β phase field

2.1.3  单相区固溶+时效对合金显微组织的影响

β区固溶后的魏氏组织不经过两相区第二重热处理，而直接进行(730 ℃, 3 h, AC)的时效处理，消除固溶时产生的高密度位错并使组织均匀化，最终得到细小片层组织。如图6所示，α片层尺寸在1~3 μm左右，取向相同的相邻α片层并行排列成α集束。

图6  TC4-DT钛合金经单相区固溶+时效得到的显微组织

Fig. 6  Microstructure of TC4-DT alloy obtained by (1 010 ℃, 1 h, AC)+(730 ℃, 3 h, AC)

表3  不同热处理制度下TC4-DT钛合金的拉伸性能及断裂韧性

Table 3  Tensile and fracture toughness of TC4-DT alloy under different heat-treatments

2.2  不同热处理对合金力学性能的影响

表3所列为TC4-DT钛合金在不同热处理制度下的力学性能。由表3可知，两相区固溶+时效强化效果较好，随着两相区固溶温度的升高，合金的强度以及断裂韧性逐渐增加，而塑性有所降低。这主要是由于随着固溶温度的升高，初生α相含量减少，导致合金塑性有所降低，而β转变组织中的次生α相含量增加，有利于提高合金的强度和断裂韧性。

单相区固溶空冷得到的魏氏组织在两相区进行第二重固溶时，随着固溶温度的升高，合金的强度、塑性以及断裂韧性均有增加趋势。这主要是由于随着第二重固溶温度的提高，次生α片层数量增多，导致初生α片层增厚。而在第二重固溶时，随着冷却速度的提高，合金的强度急剧增加，塑性显著下降，断裂韧性也呈下降趋势。这主要是由于水冷时生成的细针状α′马氏体经过时效处理后，强化效果明显，导致强度较高。而炉冷生成的α片层变成短粗状，发生一定程度的等轴化，合金变形协调能力有所增强，从而使合金的塑性和断裂韧性得到改善，而强度损失较大。

单相区固溶水冷得到的马氏体组织在两相区进行第二重处理时，随着固溶温度的升高，合金的强度以及断裂韧性增加，塑性有所下降。与HT4及HT5相比，HT8和HT9都不同程度地提高了合金的抗拉强度以及伸长率，特别是断裂韧性得到显著提高。这主要是由于马氏体分解生成的α片层厚度较大，使得裂纹扩展路径更加曲折，抵抗裂纹穿过片层的能力增加，从而具有较高的断裂韧性。

单相区固溶+时效处理得到的片层组织的强度和断裂韧性较好，与HT4处理的合金性能相当。这主要由于组织中细小的α片层和集束有利于提高合金的断裂韧性，但在单相区固溶时β晶粒发生长大并形成连续晶界α，裂纹容易沿晶界扩展，使得合金的变性协调能力下降，所以塑性较差。

3  结论

1) 在两相区进行固溶+时效处理，得到等轴或双态组织，可以使TC4-DT合金获得较高的强度和塑性，随着固溶温度的升高，初生等轴α相含量减少，次生片层α相含量增多，合金的强度和断裂韧性增加，塑性有所降低。

2) 控制多重热处理中第一重热处理的冷却速度和第二重热处理的温度以及冷却速度，可以有效控制片层组织的尺寸，单相区固溶后空冷得到的魏氏组织经过两相区第二重固溶处理，水冷获得细针状α′相，炉冷获得粗大的α片层；单相区固溶水冷得到马氏体组织，在两相区第二重固溶时，马氏体直接分解生成粗大的α片层组织。

3) 多重热处理可以调节TC4-DT合金的综合力学性能匹配，选择适当的多重热处理可以调整组织，显著提高合金的断裂韧性，TC4-DT合金经(1 010 ℃, 45 min, WQ)+(950 ℃, 1.5 h, AC)+(550 ℃, 8 h, AC)多重热处理，可以得到粗细兼备的双片层组织，具备强度-塑性-断裂韧性的较好匹配。

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(编辑 何学锋)

基金项目：陕西省重点科技创新团队计划资助项目(2012KCT-23)

收稿日期：2013-06-20；修订日期：2013-07-30

通信作者：毛小南，教授，博士; 电话: 029-86250729; E-mail: xnmao1966@163.com