稀有金属 2004,(01),34-38 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.009
热处理对TC21合金显微组织和室温拉伸性能的影响
赵永庆 曲恒磊 李辉 冯亮 郭红超 黄定坤
西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所,西北有色金属研究院钛合金研究所 陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016
摘 要：
研究在不同热处理制度下 , 高强高韧TC2 1钛合金Φ2 0mm轧制棒材的组织和室温拉伸性能的变化规律。结果表明 , 在Tβ ( -2 0～ 5 0℃ ) / 1hAC +60 0℃ / 4hAC处理制度下 , TC2 1合金Φ 2 0mm棒材的室温拉伸强度和塑性分别为 :抗拉强度≥ 110 5MPa , 屈服强度 ( 10 0 0MPa , 延伸率≥ 15 %, 断面收缩率≥ 43 %。当合金的显微组织为双态组织时 , 其室温拉伸性能得到良好的匹配。
关键词：
高强高韧钛合金 ;TC21合金 ;热处理 ;性能 ;组织 ;
中图分类号： TG162
收稿日期： 2003-09-10
Effect of Heat Treatment on Microstructure and Tensile Properties of TC21 Alloy
Abstract：
TC21 alloy is a new kind of high strength and high toughness titanium alloy. The effect of various heat treatments on microstructures and tension properties at RT of TC21 alloy were investigated. The result shows that the optimum STA heat treatment of TC21 alloy is ( T β-20～50 ℃) /1 h AC+600 ℃/4 h AC. Under this STA heat treatment, a better combination of strength and ductility was obtained. Simultaneously, the microstructure of TC21 alloy is equiaxed α grains and basket weave, which benefits the properties of TC21 alloy.
Keyword：
high strength and high toughness Ti alloy; TC21; heat treatment; properties; microstructure;
Received： 2003-09-10
钛是20世纪发展起来的一种重要的金属材料, 钛合金因具有比强度高、 耐蚀性好、 耐热性高等特点而被广泛用于许多领域。 许多国家相继对其进行研究开发, 并得到了实际应用
[1 ,2 ]
。 航空机体用的结构钛合金是从20世纪50～60年代开始发展的, 随着航空航天事业的迅速发展, 对飞行器结构材料的需求更为突出地集中于轻质、 高强高韧、 高模量和高损伤容限方向
[3 ]
。 飞行器结构材料比重减少, 可以提高飞机推重比, 增加飞行距离和减少燃料费用, 而采用比强度高、 综合性能好的 (α+β) 型两相钛合金, 是飞机结构件减轻重量的一个重要方法, 其重量可以减轻10%或更多
[4 ]
。
为适应航空用结构钛合金的发展需要, 我国材料研究者们一直在寻求开发具有中国自主知识产权的新型钛合金, 期望改变我国钛合金研究仿制发达国家的现状
[5 ]
。 鉴于此目的, 西北有色金属研究院研制出了一种新型两相高强高韧高损伤容限型钛合金——Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Cr-Si-X (TC21) 合金
[6 ]
, 该合金具有优良的强度、 塑性、 韧性和低的裂纹扩展速率匹配, 期望其能作为具有中国自主知识产权的钛合金而应用于我国的航天航空领域。 本文通过研究不同热处理制度下, TC21合金Φ20 mm轧制棒材的组织和室温拉伸性能的变化规律, 为该合金的工程化应用提供试验数据。
1 材料及实验方法
实验用TC21合金采用3次真空自耗电弧炉熔炼而成, 铸锭经开坯锻造后, 最终轧制成Φ20 mm 棒材。 轧制 (R) 态组织如图1所示, 为等轴及短棒状的初生α和晶内网篮组织, 其中的初生α晶粒尺寸为2～8 μm。 经金相法测定TC21合金的相变点为T β =950～955 ℃。
对TC21合金Φ20 mm棒材, 进行不同制度的热处理 (表1) , 热处理制度共分为3种, 热处理制度I为: 固溶处理制度相同, 时效时间相同而温度不同; 热处理制度II为: 固溶处理制度相同, 时效温度相同而时间不同; 热处理制度III为: 固溶温度不同, 但时效制度相同。 然后, 分别测试其热处理后试样的室温拉伸性能, 并对其组织进行金相 (OM) 观察分析, 试验设备为Instron1185 力学试验机和Olympus PMG3光学显微镜。
图1 TC21合金R态金相组织
Fig.1 Microstructure of as-rolled TC21 alloy
表1 TC21合金不同热处理制度
Table 1 Various heat treatment of TC21 alloy
时效处理
时间/h
温度/℃
时间/h
T β -501
500
4
T β -501
550
T β -501
600
T β -501
650
T β -501
600
0
T β -501
4
T β -501
8
T β -501
12
Tβ -20
1
600
4
T β +10
T β
T β -10
T β -20
T β -30
T β -40
T β -50
2 试验结果及讨论
2.1 TC21合金在不同热处理制度下的组织
经T β -50 ℃/1 h AC固溶处理后, TC21合金的组织与R态相比, 等轴α含量明显增加, 达到30%～45%, 如图2 (a) 所示。 从图2 (b) 可以看出, 经T β -50 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC固溶时效处理后, 显微组织显示为典型的双态组织 (等轴初生α+网篮组织) , 与图2 (a) 相比, 经过600 ℃/4 h AC时效处理后, 总体形貌无明显变化, 但基体析出了针状α。 经T β -20 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC固溶时效处理后, 由于将固溶处理温度提高了30 ℃, 所以与图2 (b) 相比, TC21合金组织中的等轴初生α含量减少, 而网篮组织的片层更加明显, 见图2 (c) 。 经T β -20 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC固溶处理后的组织为魏氏组织, 见图2 (d) 。
2.2 TC21合金固溶时效处理 (STA) 后的性能
2.2.1热处理制度I和II对TC21合金室温拉伸性能的影响
经过热处理制度I和II处理后, TC21合金的室温拉伸性能如图3 (a) , (b) 所示。 随着时效温度的升高, TC21合金的强度有所降低。 与T β -50 ℃/1 h AC+500 ℃/4 h AC相比, 经过T β -50 ℃/1 h AC+550 ℃/4 h AC处理后, 后者抗拉强度降低了20 MPa, 屈服强度升高了20 MPa, 塑性无明显变化。 当时效温度升高到600 ℃时, 与500 ℃相比, 抗拉强度降低了120 MPa, 为1112 MPa; 屈服强度降低了85 MPa, 为1052 MPa; 塑性明显增强。 当把时效温度进一步升高到650 ℃时, 强度虽比600 ℃时的对应值有所上升, 但塑性却下降了。 在T β -50 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC处理后, TC21合金的塑性最好, 强度也达到了1100 MPa以上。 故而选取该制度研究时效时间对合金性能的影响。
图2 TC21合金在不同热处理条件下的显微组织
Fig.2 Microstructures of TC21 alloy after different heat treatment
(a) Tβ -50℃/1 h AC; (b) Tβ -50℃/1 h AC+600℃/4 h AC; (c) Tβ -20℃/1 h AC+600℃/4 h AC; (d) Tβ -20℃/1 h AC+600℃/4 h AC
图3 热处理制度I和II对TC21合金室温拉伸性能的影响
Fig.3 Effect of Heat treatment I and II on tensile properties at RT of TC21 alloy
(a) 热处理制度I; (b) 热处理制度II
TC21合金在时效4 h后, 与不进行时效时的性能相比, 由于析出了针状α, 强度明显增强, 不过因为等轴α含量保持在30%左右, 因此塑性比较稳定。 随着时效时间的延长, TC21合金的强度明显升高, 但是塑性在时效时间超过4 h以后则明显降低, 如图3 (b) 。 一般来说, 如果在不超过时效峰值的情况下, 随时效时间的延长, 合金的强度应该增强。 但是, 当时效时间从8 h延长到12 h后, TC21合金的强度并没有多大的变化。 可以认为, 时效超过一定时间后, 对TC21合金的室温拉伸性能影响不大。
对于两相钛合金来说, 固溶处理的目的就是保留马氏体α′, α″或少量的亚稳定β相。 时效处理的目的就是促进固溶处理产生的亚稳定相按一定的方式发生分解, 引起强化。 而对于β稳定元素含量较少的 (α+β) 型钛合金, 由于马氏体回火造成的强化效应有限, 所以要求固溶处理后的组织就应该具有较好的综合性能
[7 ]
。 一般来说, 当初生的颗粒在15%～45%范围内, 两相钛合金的综合性能好
[8 ]
。 TC21合金在经过T β -50 ℃/1 h AC的固溶处理后, 其组织中的等轴初生α含量达到了30%～45%, 如图2 (a) 所示, 该组织为TC21合金固溶时效处理以后获得良好的室温拉伸性能打下基础。
2.2.2热处理制度III对TC21合金室温拉伸性能的影响
为了研究固溶处理温度对于TC21合金性能的影响, 分别从对应于TC21合金的β相区→ (α+β) 相区→α相区选择了T β +20 ℃～T β -50 ℃ 8种温度, 结果如图4所示。
TC21合金Φ20 mm棒材的8种热处理制度与对应的性能研究结果显示, 经T β -40 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC, T β -30 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC或者T β -20 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC处理后, 显微组织与经T β -50 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC处理后类似, 只不过随着固溶温度的升高, 组织中的初生等轴α含量减少, 而网篮组织的片层变得更加明显, 见图2 (b, c) 。 一般认为, 初生等轴α含量增加, 会使钛合金的断面收缩率提高, 对于钛合金的强度变化影响不大
[8 ]
。 显然, 从图4可以看出, 当固溶处理温度从T β -50 ℃升高到T β -20 ℃时, TC21合金的强度和塑性都相对稳定, 抗拉强度保持在1105～1120 MPa之间, 屈服强度保持在1007～1055 MPa之间, 断面收缩率在51%～54%之间, 延伸率在17%～19%之间。
但是, 经过T β -10 ℃/1 h AC+600℃/4 h AC处理后, 因为固溶温度接近相变点而引起晶粒长大、 粗化, 以及晶内网篮状片层比例增加和等轴α晶粒含量减少, 所以合金的强度升高而塑性明显下降。 经过T β ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC或者T β +10 ℃/1 h AC+600 ℃/4 h AC处理后, 由于温度临界相变点或者超过相变点, 而引起晶粒进一步长大、 粗化, 导致合金塑性的进一步下降。 当温度升高到T β +20 ℃时, 组织转变为魏氏组织, 如图2 (d) , 该组织不利于合金的塑性, 尤其是断面收缩率远低于其它类型的组织
[8 ]
。 在T β +20 ℃时, 合金塑性降至最低点, 断面收缩率降至8.8%, 延伸率降至7.2% (见图4) 。
图4 热处理制度III对TC21合金室温拉伸性能的影响
Fig.4 Effect of heat treatment III on tensile properties at RT of TC21 alloy
据文献
[
8 ]
报道, 魏氏组织突出的弱点就是对应的塑性差, 尤其是断面收缩率远低于其它类型的组织, 它的主要优点就是, 断裂韧性高, 在较快冷却状态下, 其蠕变抗力及持久强度较高。 网篮组织的塑性高于魏氏组织, 一般可满足使用要求, 但仍不够理想。 在实际应用中, 对于高温长期受力部件, 由于网篮组织的塑性、 蠕变抗力及高温持久强度等综合性能较好, 往往采用网篮组织代替魏氏组织。 而等轴组织虽然具有较高的疲劳强度和塑性, 但是它的断裂韧性及高温性能不如魏氏或网篮组织。 同时, 组织中如果含有晶界粒状α和晶粒内束状α
[9 ]
, 对合金获得低的裂纹扩展速率 (da /dN ) 有利。
通过研究不同热处理制度下, TC21合金组织与性能的变化规律, 发现当TC21合金Φ 20 mm棒材在经过 (T β -20～50 ℃) /1 h AC+600 ℃ 4 h AC的固溶时效处理后, 其组织是由等轴α和网篮组织共同构成的双态组织, 双态组织将等轴和网篮组织的结构特征合而为一, 故TC21合金可以获得较好的强度、 塑性和断裂韧性等综合性能的匹配。
3 结 论
1. 在 (T β -20～50 ℃) /1 h AC +600 ℃/4 h AC处理制度下, TC21合金Φ20 mm棒材的室温拉伸强度和塑性分别为: 抗拉强度≥1105 MPa, 屈服强度≥1000 MPa, 延伸率≥15%, 断面收缩率≥43%。
2. TC21合金的显微组织为双态组织时, 室温拉伸性能得到良好的匹配。
3. TC21合金采用STA热处理时, 固溶温度接近或超过相变点后, 合金塑性明显下降; 提高时效温度将引起合金强度下降; 延长时效时间将引起合金强度升高, 塑性下降。
参考文献
[1] GilbertJRB . Mater.Sci.Technol, 1985, 1:257.
[2] 张颖楠, 李明强, 张树启. 热加工对TB3合金组织和性能的影响[J].金属热处理, 2000, 9:14.
[3] 敖 宏, 惠松骁, 叶文君, 等. 高强度, 高韧性, 高模量钛合金研究进展[J].金属学报, 2002, (增刊) :22.
[4] 张尚洲, 雷家峰, 关少轩, 等. 热处理对高强高韧钛合金性能的影响[J].金属学报, 2002, (增刊) :74.
[5] 张颖楠, 李 辉, 曲恒磊, 等. Ti62222S合金的研究进展[J].金属热处理, 2002, 12:14.
[6] 曲恒磊, 赵永庆, 朱知寿, 等. 一种高强韧钛合金及其加工方法[P].中国:03105965.1, 2003, 9, 30.
[7] 李青云, 王道隆, 刘雅庭, 等. 稀有金属材料加工手册[M].北京:冶金工业出版社, 1984:21.
[8] 张宝昌, 王世洪, 孟 亮, 等. 有色金属及其热处理[M].西安:国防工业出版社, 1993.
[9] WoodJR , RussoPA , WelterMF . ThermomechanicalprocessingandheattreatmentofTi6Al2Sn2Cr2MoSiforstructuralapplications[J].MaterialsScienceandEngineering, 1998, A243:112.
