文章编号：1004-0609(2010)S1-s0581-06
固溶处理对近β锻TC21合金组织的影响
侯智敏，毛小南，雷文光，卢亚锋，张鹏省，韩 栋
(西北有色金属研究院，西安 710016)
摘 要：
通过对TC21合金进行近β锻，获得典型的双态组织。通过X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析了固溶处理对双态TC21合金组织的影响。XRD分析表明：随着固溶温度的降低，TC21合金固溶水冷处理后的亚稳定相组成依次为α″(≥Tβ)、α+α″(Tβ≈935 ℃)、α+α″+β(915、855 ℃)、α+β(≤835 ℃)。分别对TC21合金进行895 ℃, 2 h，AC、QFC(慢炉冷)、FC+(610 ℃, 4 h，AC)热处理，研究固溶冷却速率对合金组织性能的影响。结果表明：随着冷却速率的增加，等轴α相基本保持不变，次生α相含量减少，合金强度增加，塑性减小。此外，分别对TC21合金在915、905、895、870和835 ℃进行2 h, AC固溶处理，金相分析表明：随着固溶温度的降低，等轴α相相含量及尺寸基本保持不变，次生α条所占比例增加，α条变宽。
关键词：
中图分类号：TB 804.3 文献标志码：A
Effect of solution treatment on morphology of near β forged TC21 alloy
HOU Zhi-min, MAO Xiao-nan, LEI Wen-guang, LU Ya-feng, ZHANG Peng-sheng, HAN Dong
(Northwest Institute for Norferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)
Abstract: Two-state microstructure of TC21 alloy was obtained by near β forging process. The effect of different solution treatments on the microstructure of TC21 alloy was analyzed by X-ray diffractometry (XRD), optical microscopy (OM) and electron microscopy (SEM). The XRD analysis reveals that with the decrease of solution treatment temperature, the phase compositions of TC21 alloy are α″ (≥Tβ), α+α″(Tβ≈935 ℃), α+α″+β (915, 855 ℃), α+β (≤835 ℃). The morphology and mechanical properties of TC21 alloy solution treated at 895 ℃ for 2 h with different solution cooling rate (air cooling, quick furnace cooling, furnace cooling) and then aged by 610 ℃, 4 h, AC was analyzed. As a result, with the increase of solution cooling rate, there is no obvious change on the primary equiaxed α phase, the content of secondary α phase decreases, the strength of the alloy increases, and the plasticity decreases at the same time. TC21 alloy was solution treated at 915, 905, 895, 870 and 835 ℃ for 2 h followed by air cooling, respectively. With the decrease of solution treatment temperature, the width and content of lamellar α phase increase, and there is no difference between the equiaxed α phase of TC21 alloy solution treated at different temperatures.
Key words: TC21 alloy; cooling rate; near β forging; two-state microstructure
TC21合金是西北有色金属研究院自行研制的一种新型高强高韧高损伤容限型两相钛合金，该合金具有良好的强度、塑性、韧性及低裂纹扩展速率的匹 配[1-2]，是一种极具应有前景的新型结构钛合金。
虽然WANG等[3]、费玉环等[1,4]和张颖楠等[5]研究了TC21合金等轴组织或等轴组织较多的双态组织，朱知寿等[6]研究了网篮组织，但由于钛合金具有组织遗传性，对不同的终锻组织进行相同的热处理后，其微观组织差别很大。作为两相钛合金，TC21合金的微观组织对其力学性能有很大的影响。因此，本文作者拟通过X-ray衍射(XRD)、OM和SEM分析热处理温度、冷却速率等热处理参数对近β锻TC21合金组织及相组成等的影响，测试不同组织对应的力学性能。
1 实验
实验所用TC21合金为西北有色金属研究院熔炼的6 t铸锭经多火次开坯锻和近β锻终锻后制备的 d 350 mm棒材，其锻态组织见图1。合金相变点温度为(947±5) ℃。从棒材上切取d 10 mm×15 mm和d 10 mm×70 mm的试样，分别用于热处理和力学性能测试。在835、855、915、935和960 ℃分别对TC21合金进行40 min，WQ固溶热处理, 车掉表面氧化皮后，通过D/max2400型X射线衍射仪(XRD)分析不同温度固溶热处理后TC21合金的亚稳相组成，在此基础上，制定不同的固溶/时效工艺对合金进行热处理。金相试样抛光后，采用HF+HNO3+H2O (体积比1:5:50)腐蚀液浸蚀，浸蚀后通过OLYMPUS/PMG3光学显微镜(OEM)和OXFord INCI 扫描电镜(SEM)分析不同热处理工艺对合金微观组织的影响。具体热处理工艺见表1。固溶时效处理后TC21合金的力学性能测试在Instron 1185力学试验机上进行。
图1 TC21合金近β锻后的金相组织
Fig.1 Morphology of near β forged TC21 alloy
2 结果与讨论
TC21合金在相变点以上(960 ℃)固溶水冷处理后的XRD分析结果见图2。从图2可以看出：TC21合金经960 ℃固溶水冷处理后具有典型的正交结构的α″
表1 TC21合金的热处理工艺
Table 1 Different heat treatment procedures of TC21 alloy
图2 TC21合金在相变点以上(960 ℃, 40 min, WQ)热处理后XRD谱
Fig.2 XRD pattern of TC21 alloy solution treated at 960 ℃ for 40 min followed by WQ
衍射峰(020)、(021)，晶格参数为：a=3.0 nm，b=4.968 nm，c=4.675 nm。TC21合金在相变点以下，(935 ℃, 40 min)、(915 ℃, 40 min)、(855 ℃, 40 min)固溶水冷热处理后的XRD分析结果见图3。从图3可以看出：随着固溶温度的降低，水冷热处理后合金的亚稳定相组成依次为：α″ (≥Tβ)、α+α″(Tβ≈935 ℃)、α+α″+β(915、855 ℃)、α+β(≤835 ℃)。在两相区是否存在α+α″+ω和α+ω+β相区需要通过进一步的实验分析确定。由于亚稳定β相和α″都具有较好的时效强化效果，在935 ℃以上固溶热处理时，α″马氏体相时效分解强化占主导地位，而在835 ℃以下，则以亚稳β相分解强化为主，在935~835 ℃为混合机制。
TC21合金1#、2#、3#工艺热处理后的金相组织见图4。从图4可以看出：空冷时β基体上弥散分布着
图3 不同温度固溶40 min水冷处理后TC21合金XRD谱
Fig.3 XRD patterns of TC21 alloy solution treated at different temperatures for 40 min: (a) 935 ℃; (b) 915 ℃; (c) 855 ℃; (d) 835 ℃
图4 TC21合金经不同工艺热处理后的金相照片
Fig.4 Metallgraphs of TC21 alloy heat treated by different processes: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#
少量的次生α颗粒，而快炉冷时有一定量的次生α条产生，炉冷时大量次生α相析出，几乎看不到β基体。由于在低的冷却速率下，次生α相有更充分的形核长大时间，所以随着固溶冷却速率的降低，次生α相含量增加。初生等轴α相晶粒尺寸有一定的增加，相含量变化不明显。
为了分析冷却速率对合金力学性能的影响，对1#、2#、3#工艺热处理后TC21合金进行性能测试，结果见表2。从表2可以看出：随着固溶冷却速率的增加，合金强度明显增加，塑性减小。从图4可以看出：随着冷却速率的变化，次生α相发生明显的改变。为进一步确定冷却速率对TC21合金力学性能影响的机制，通过SEM分析冷却速率对微观组织的影响。TC21合金经不同冷却速率下固溶/时效热处理后的SEM像见图5。从图5中可以看出：在高的冷却速率下，TC21合金β基体相中析出大量纵横交错的次生α相，几乎看不到β基体。随着冷却速率的下降，β基体上析出的次生α条逐渐减少。炉冷处理的试样其β基体上几乎看不到次生α条。这是由于随着固溶冷却速率的降低，固溶冷却过程中形成的α″相含量逐渐减小(见图3(b)和3(c))，合金在水冷后的相组成为α+β+α″，在炉冷时则全部变为α+β相(见图6)。在时效过程中，α″相和亚稳定的β相最终时效分解为次生α相。高固溶冷却速率下，形成大量的α″相，所以时效时β基体中析出大量的纵横交错的次生α相，在低的冷却速率下，只有少量的亚稳定β相时效分解为次生α条。
表2 经不同工艺热处理后TC21合金的室温拉伸性能
Table 2 Mechanical properties of TC21 alloy after different solution treatments
4#、5#、6#、7#、8#工艺热处理后TC21合金的金相组织见图7。从图7中可以看出：在915 ℃固溶处理的TC21合金其初生等轴α相尺寸及相含量相对较小；在905 ℃及以下温度固溶处理时，固溶处理后的初生等轴α相尺寸及相含量变化不大，但是条状α相含量随着固溶温度的升高而增加，α条变宽。这是由于采用近β锻的TC21合金只有40%左右的初生α相，其余为细小的条状α相和β基体。在915 ℃保温时，α相含量小于40%，部分初生α相转变为β相，与锻
图5 TC21合金经不同工艺热处理后的SEM像
Fig.5 SEM images of TC21 alloy heat treated by different processes: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#
图6 TC21合金经895 ℃, 2 h, FC热处理后的XRD谱
Fig.6 XRD pattern of TC21 alloy solution treated at 895 ℃ for 2 h and followed by FC
图7 固溶温度对TC21合金微观组织的影响
Fig.7 Morphologies of TC21 alloy solution treated at different temperatures: (a) 915 ℃, 2 h, AC; (b) 905 ℃, 2 h, AC; (c) 895 ℃, 2 h, AC; (d) 870 ℃, 2 h, AC; (e) 835 ℃, 2 h, AC
态组织相比，等轴α相尺寸变小，相含量减小。在905 ℃及以下温度固溶处理保温时，α相含量超过40%，等轴α相尺寸及含量随着保温的进行会有一定的增加，但是变化不明显；随着固溶温度的降低，固溶保温时有更多的条状α相析出并长大。由于上述原因，在低温固溶时，次生α条变宽，相含量增加。
常规锻造的两相钛合金，随着固溶温度的升高，合金中的等轴α相含量减少，条状α相含量增加。由于近β锻造获得的等轴α相含量较低，所以在不同温度固溶处理时，组织变化出现与常规锻造TC21合金完全相反的趋势。
3 结论
1) TC21合金的亚稳相组成为α″(≥Tβ)、α+α″(Tβ≈935 ℃)、α+α″+β(915、855 ℃)、α+β (≤835 ℃)。
2) 在高的固溶冷却速率下，条状α相含量降低，β基体相中存在大量细密分布的次生α条，随着冷却固溶速率的降低，条状α相含量增加，β基体相中细小的次生α条含量减小。
3) 随着固溶冷却速率的增加，在相同的固溶处理温度和时效条件下，TC21合金强度增加，塑性降低。
4) 与锻态组织相比，在915 ℃固溶处理时，TC21合金初生等轴α相尺寸减小，相含量降低；在905 ℃及以下温度固溶处理时，TC21合金中等轴组织形貌基本保持不变，随着固溶温度降低，次生α相变宽，相含量增加。
REFERENCES
[1] 费玉环, 周 廉, 曲恒磊, 赵永庆, 冯 亮. 两相区热处理对TC21钛合金显微结构的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2007, 36(11): 1928-1932.
FEI Yu-huan, ZHOU Lian, QU Heng-lei, ZHAO Yong-qing, FENG Liang. Effects of heat-treatments on microstructures of TC21 titanium alloy [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2007, 36(11): 1928-1932.
[2] 马少俊, 吴学仁, 刘建中, 王利发. TC21钛合金的微观组织对力学性能的影响[J]. 航空材料学报, 2006, 26(5): 22-25.
MA Shao-jun, WU Xue-ren, LIU Jian-zhong, WANG Li-fa. Influence of microstructures on mechanical propertiesfor TC21 titanium alloy [J]. Journal of Aeronautical Materials, 2006, 26(5): 22-25.
[3] WANG Yi-hong, KOU Hong-chao, CHNAG Hui, ZHU Zhi-shou, ZHANG Feng-shou, LI Jin-shan, ZHOU Lian. Influence of solution temperature on phase transformation of TC21 alloy [J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 508: 76-82.
[4] FEI Yu-huan, ZHOU Lian, QU Heng-lei, ZHAO Yong-qing, HUANG Chuan-zhen. The phase and microstructure of TC21 alloy [J]. Materials Science and Engineering A, 2008, 494: 166-172.
[5] 张颖楠, 赵永庆, 曲恒磊, 李 辉, 冯 亮, 郭红超, 龚定坤. 热处理对TC21合金显微组织和室温拉伸性能的影响[J]. 稀有金属, 2004, 28(1): 34-38.
ZHANG Ying-nan, ZHAO Yong-qing, QU Heng-lei, LI Hui, FENG Liang, GUO Hong-chao, HUANG Ding-kun. Efect of heat treatment on microstructure and tensile properties of TC21 alloy [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2004, 28(1): 34-38.
[6] 朱知寿, 王新南, 童 路, 刘东升. 新型TC21钛合金热处理工艺参数与显微组织演变的关系研究[J]. 稀有金属快报, 2006, 23(6): 24-27.
ZHU Zhi-shou, WANG Xin-nan, TONG Lu, LIU Dong-sheng. Phase transformation and composition for novel TC21 [J]. Rare Metals Letters, 2006, 23(6): 24-27.
(编辑 杨 兵)
基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2007BAE07B03)；国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613807)
通信作者：侯智敏; 电话：029-86231078；E-mail：houzhimin_2003@yahoo.com.cn
