王文杰

(海军装备部，陕西　西安　710021)



准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织和性能的影响

王文杰

(海军装备部，陕西西安710021)

通过改变单相区保温时间，研究了5种准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织和力学性能的影响。结果表明：保温40 min及以下时，为网篮组织，而保温50 min及以上时，组织呈现魏氏组织特征，随保温时间延长，晶粒尺寸增大，片状α相更细更长；合金强度和断裂韧性随保温时间的延长呈递增趋势，而塑性逐渐变差。TC4-DT钛合金在单相区保温50 min时，具有较好的强度、塑性以及断裂韧性匹配，强度可达865 MPa, 断面收缩率可达31%，而断裂韧性能够达到99 MPa·m1/2。

TC4-DT钛合金；准β热处理工艺；显微组织；力学性能

respectively.

0　引　言

钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐高温、耐腐蚀、可焊性好等优点，被广泛应用于航空工业[1-3]。自20世纪40年代开始，由于客机频繁失事，航空器结构件由单纯静强度设计概念转向安全-寿命设计概念、破损-安全设计概念, 直至现代的损伤容限设计准则[4-5]。设计理念的转变引起了材料研究方向的改变，这就要求材料不仅要有较高的强度，还要具备良好的塑性、断裂韧性等。为了实现以上性能的良好匹配，损伤容限型钛合金已成为钛合金研究领域的重点之一[4]。

Ti-6Al-4V ELI合金作为一种中强损伤容限型钛合金，已经广泛应用于航空航天领域[6]。它是在Ti-6Al-4V合金基础上开发的中强损伤容限、低间隙钛合金，具有较好的塑性、韧性和强度匹配。目前，美国第4代战机F-22、F/A-18E/F中Ti-6Al-4V ELI合金的使用已经进入成熟阶段[7-8]。

鉴于Ti-6Al-4V ELI合金优异的综合性能，我国研发了同类型的TC4-DT钛合金，并广泛用于飞机结构件的制造。目前国内学者已对该合金进行了一系列研究[9-12]。朱知寿等人[9]通过研究TC4-DT损伤容限钛合金的微观组织结构特征与裂纹扩展抗力特性之间的关系，为新型损伤容限钛合金的设计与评价提供了参考依据。刘金豪等人[10]研究了TC4-DT钛合金在不同温度及应变速率条件下的热变形行为，并根据应力-应变曲线分析了该合金的流变应力变化特点，建立了该合金的加工图，为优化合金的锻造工艺提供参考。童路等人[11]研究了影响TC4-DT钛合金自由锻件组织与性能的因素。郭萍等人[12]研究了损伤容限型TC4-DT钛合金的性能。可见，目前的研究工作主要集中在TC4-DT钛合金的损伤容限特性、热变形特性以及锻造和热处理工艺对组织性能的影响。2004年，朱知寿等人[13]发明了一种获得高塑性片状组织的钛合金准β热处理工艺，即经过在两相区锻造的锻件在β相变点(Tβ) 以下20～40 ℃(即Tβ-(20～40) ℃)预热,然后随炉升温至(Tβ-10 ℃)～(Tβ+40 ℃)，经短时加热后迅速水冷或空冷。该工艺的技术关键是在β区短时加热，目的是不让β晶粒迅速长大，从而解决片状组织在保持较高的损伤容限性能的条件下不降低塑性的难题。然而，此后关于准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织性能影响方面的研究却鲜见报道。

本研究对比分析了不同准β热处理工艺对TC4-DT钛合金组织和性能的影响，以期找到使合金获得较好强度、塑性和断裂韧性匹配的准β热处理工艺。

1　实　验

实验原材料为西部超导材料科技股份有限公司提供的φ300 mm TC4-DT钛合金棒材，采用金相法测得其相变点为974 ℃。

将TC4-DT钛合金棒材切为5段相同的长度，分别标记为A、B、C、D、E。5段棒材在Tβ-30 ℃保温240 min后，在1 600 t水压机上镦粗为厚度100 mm的圆饼。为了研究Tβ+15 ℃下加热时间对组织和性能的影响规律，进行了5种不同保温时间的准β热处理。具体热处理工艺：将圆饼置于热处理炉内，升温至Tβ-30 ℃保温120 min，然后在35 min内随炉升温至Tβ+15 ℃，分别保温30、40、50、60、70 min，空冷。不同保温时间的准β热处理分别编号为A、B、C、D、E工艺。

准β热处理完成后，在每种工艺处理的TC4-DT钛合金圆饼上切取1个低倍试样、1个金相试样、2个拉伸试样以及2个标准紧凑拉伸(CT)断裂韧性试样(尺寸约为65 mm×65 mm×25 mm)。低倍试样及金相试样经过粗磨、细磨、抛光后，使用常规腐蚀剂(HF、HNO3、H2O的体积比为1∶3∶5)进行腐蚀。采用OLYMPUS PMG3光学显微镜观察金相试样显微组织。采用INSTRON-1185万能材料试验机进行室温拉伸性能测试。平面应变断裂韧性测试则严格按照国标GB/T 4161—2007进行。为了保证断裂韧性测试的准确性，加载过程中裂纹尖端应力场强度因子增大速率控制在0.55～2.75 MPa·m1/2/s之间。

2　结果与分析

2.1低倍组织

图1为TC4-DT钛合金圆饼经不同保温时间的准β热处理工艺处理后的低倍组织。

从图中可以看出，圆饼的低倍组织呈现出相似的特征，即圆饼中心区域出现了小部分大晶粒区域，由中心向表面逐渐变细，且没有明显的边界。随着保温时间的延长，大晶粒区域的面积逐渐增大。A试样大晶粒区域面积约占棒材横截面的1/9，B试样约占1/5，C试样约占1/4，D试样约占1/3，而E试样粗晶部分面积约占棒材横截面的1/2，但是中心大晶粒尺寸随加热时间的延长有减小的趋势。TC4-DT钛合金圆饼准β热处理后中心产生的大晶粒可能与人眼的视觉观察有关。当晶粒实际尺寸达到人眼的分辨能力(100～150 μm)时，这些组织要素在低倍组织中是可以看见的，因而低倍组织看起来可能比较粗；反之，当晶粒实际尺寸小于人眼的分辨能力时，这些组织要素在低倍组织中是不可见的，因而低倍组织看起来可能比较模糊。当相邻几个β晶粒间的晶体学位向差别较小时(<10°～15°)，这时两个或几个晶粒在低倍组织中被误认为是一个粗大的晶粒，从而呈现出粗晶的形貌[14]。TC4-DT钛合金在准β热处理过程中如果保温时间较短，中心由亚晶合并长大的β晶粒之间位向差较小，容易将多个晶粒误认为一个粗大的晶粒，因而中心的组织看起来较粗，但不清晰。随着加热时间加长，β晶粒长大，各β晶粒之间的位向差增大，肉眼可以看见每一个β晶粒，因而感觉β晶粒减小了，粗晶的区域因β晶粒长大而扩大，在低倍上晶粒也清晰可见。

图1　　　　TC4-DT钛合金在5种不同保温时间下准β热处理后的低倍组织Fig.1　　　　Macrostructures of TC4-DT titanium alloy by five different soaking time

2.2显微组织

图2为不同保温时间下TC4-DT钛合金准β热处理后的显微组织。整体来看，A工艺(图2a)和B工艺(图2b)条件下组织呈现典型的网篮组织特征，晶界α相断裂破碎，晶内片状α相较为短小，长度在40 μm以内，杂乱编织，呈现网篮状。从图2a可以看出，A工艺条件下由于加热时间较短，β晶粒较小，尺寸在40 μm以下。保温时间延长至40 min，β晶粒明显变粗，冷却过程中析出的晶内片状α相轻微变细、变长。相较于A和B，C、D、E工艺条件

图2　　　　TC4-DT钛合金在不同保温时间下准β处理后的显微组织Fig.2　　　　Microstructures of TC4-DT titanium alloy by five different soaking time

下组织更多地呈现魏氏组织的特征，晶界α相明显且较为平直，晶内片状α相排列取向趋于一致，形成集束。图2c所示为保温时间50 min条件下的组织，可以发现，相较于A和B工艺，C工艺下组织晶界α相更加明显，晶粒尺寸可达到200 μm左右。组织内部片状α相较长较粗，长度可达100 μm，厚度可达3～4 μm。图2d所示为保温时间60 min条件下的组织，可以发现，相较于C工艺，D工艺下组织晶粒更大，可达300 μm左右。组织内部片状α相更长更细，长度可达150 μm以上，厚度在2 μm左右。这是由于随着保温时间的进一步延长，组织中α稳定元素逐渐向晶界集中[16]，因此在随后的冷却过程中，片状α相更倾向于从晶界处形核并向晶粒内部生长，缺少了晶粒内部形核α相的制约，片状α相有机会长得更长。图2e所示为保温时间70 min条件下的组织，可以发现，同其他4种工艺相比，E工艺下组织中晶粒最大，可达500 μm以上，组织内部片状α相最长最细，长度可达300 μm以上，厚度仅为1 μm左右。这是由于最长的保温时间导致组织中更多的α稳定元素向晶界集中[16]，在随后的冷却过程中，片状α相从晶界处形核并向晶粒内部生长。由于E工艺条件下组织具有最大的晶粒尺寸，因此片状α相更无约束地向晶粒内部伸长，从而导致图2e所示组织中极细极长片状α相的存在。

总之，TC4-DT钛合金在单相区保温40 min及以下时，组织为网篮组织，在单相区保温50 min及以上时，组织形态呈现魏氏组织特征，随着保温时间的延长，组织中晶粒尺寸逐渐增大，晶粒内部片状α相变得更长更细，这一切都是由α稳定元素的扩散导致的。

2.3力学性能

表1所示为经不同准β热处理工艺处理后TC4-DT钛合金的力学性能。从表中可以看出，随着保温时间的延长，合金强度呈明显递增趋势，保温时间为70 min条件时合金抗拉强度要比保温时间为30 min时高60 MPa。随着保温时间的延长，合金塑性逐渐变差。当保温时间为50 min及以内时，合金塑性变化不大，延伸率大约为12%，断面收缩率在30%以上。当保温时间为60 min及以上时，合金塑性明显降低，断面收缩率能降到20%以内。上述现象与合金的显微组织变化密切相关。保温50 min及以内时，合金具有较短且粗的片状α相，较小的α相长宽比使得合金阻止位错运动的能力变差，因此合金呈现较低的强度和较高的塑性。而当保温时间在60 min及以上时，合金组织表现为大晶粒以及细且长的片状α相，较大的α相长宽比增加了合金α/β相界的面积，提高了界面强化效应[17]，因此合金的强度较高，塑性较低。

表15种准β热处理工艺下TC4-DT钛合金的力学性能

Table 1　　　　Mechanical properties of TC4-DT titanium alloy by five different soaking time

对比经5种准β热处理工艺处理后TC4-DT钛合金的断裂韧性可以发现，随着保温时间延长，断裂韧性呈上升趋势，但总体差别不大，均在95 MPa·m1/2以上，说明该合金具有优异的抵抗裂纹扩展的能力。这是由于对片状组织而言，裂纹扩展时主要沿着消耗扩展功最少的路径进行，裂纹极易在晶界、集束边界发生偏转，以及在α/β相界面发生停止和偏移，使裂纹长度增加，因此5种准β热处理工艺下获得的组织均具有很高的断裂韧性。但由于E工艺条件下α片层长且薄，裂纹扩展过程中的路径可产生较大的起伏，从而增加了裂纹扩展的难度，提高了断裂抗力，另外裂纹扩展时合金片层间可产生较多的微裂纹，微裂纹的产生同样需要吸收能量，综合以上原因，E工艺下组织的断裂韧性稍高。

总体而言，TC4-DT钛合金在Tβ+15 ℃保温50 min时，具有较好的强度、塑性以及断裂韧性匹配，强度可达865 MPa, 断面收缩率可达31%，而断裂韧性能够达到99 MPa·m1/2。

3　结　论

(1)对TC4-DT钛合金进行准β热处理，在单相区保温40 min及以下时，为网篮组织，在单相区保温50 min及以上时，组织形态呈现魏氏组织特征。随着保温时间的延长，组织中晶粒尺寸逐渐增大，晶粒内部片状α相变得更长更细，这一切都是由于α稳定元素的扩散导致的。

(2)随着保温时间的延长，TC4-DT钛合金的强度呈明显递增趋势，塑性逐渐变差，而断裂韧性值呈上升趋势。

(3)TC4-DT钛合金在Tβ+15 ℃保温50 min时，具有较好的强度、塑性以及断裂韧性匹配，强度可达865 MPa, 断面收缩率可达31%，而断裂韧性能够达到99 MPa·m1/2。

[1]付艳艳, 宋月清, 惠松骁,等.航空用钛合金的研究与应用进展[J].稀有金属，2006，30(6)：850-856.

[2]朱知寿. 我国航空用钛合金技术研究现状及发展[J].航空材料学报，2014，34(4)：44-50.

[3]吴心晨，陈明和，谢兰生，等. 复杂外形航空发动机TC4钛合金宽弦空心风扇叶片弯扭成形[J].航空学报，2015，36(6)：2055-2063.

[4]曹春晓. 选材判据的变化与高损伤容限钛合金的发展[J]. 金属学报, 2002, 38(增刊l): 4-11.

[5]熊柏青,惠松晓. 损伤容限钛合金研究进展[J]. 稀有金属材料与工程, 2005, 34(增刊3): 130-133.

[6]李辉，曲恒磊，赵永庆，等． 显微组织对Ti-6Al-4V ELI 合金疲劳裂纹扩展速率的影响[J]．稀有金属快报，2006，25(3) :26-29．

[7]彭艳萍，曾凡昌，王俊杰，等. 国外航空钛合金的发展应用及特点分析[J]. 材料工程, 1997(10):3-6.

[8]于兰兰,毛小南,李辉.温度对损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响[J].稀有金属快报，2006，26(12):20-23.

[9]朱知寿，马少俊，王新南,等. TC4-DT损伤容限型钛合金疲劳裂纹扩展特性的研究[J].钛工业进展，2005，22(6)：10-13.

[10]刘金豪，刘建生，熊运森，等. TC4-DT钛合金的热变形行为研究及加工图[J]. 稀有金属材料与工程,2013, 42(8):1674-1678.

[11]童路，朱知寿，俞汉清，等.TC4-DT钛合金自由锻件组织与性能的影响因素[J].中国有色金属学报，2010, 20(增刊1):87-90.

[12]郭萍,赵永庆,洪权,等.损伤容限型TC4-DT钛合金性能[J]. 稀有金属材料与工程,2013, 42(11):2367-2370.

[13]朱知寿, 王庆如, 王新南, 等. 一种钛合金准β热处理工艺：中国，CN 1603427A[P]. 2008-07-30.

[14]马济民，贺金宇，庞克昌，等.钛铸锭和锻造[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[15]朱绍祥, 刘建荣，王青江，等. 高温钛合金Ti-60与IMI834的β晶粒长大规律[J].金属热处理，2007, 32(11): 11-14.

[16]雷锦文, 曾卫东, 朱知寿,等.TC21钛合金β锻造大块α相研究[J].材料热处理学报，2009,30(5)：14-18.

[17]林成, 尹桂丽, 刘志林,等.高强钛合金抗拉强度的理论计算[J]. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(7)：1189-1194.

Effect of Quasi-beta Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of TC4-DT Titanium Alloy

Wang Wenjie

(Naval Equip Department，Xi’an 710021，China)

The effect of five quasi-beta heat treatments on microstructure and mechanical properties of TC4-DT titanium alloy by changing holding time in the single phase region. The results show that the microstructure is basket-weave structure after holding for 40 min or less，but the microstructure is widmanstatten structure after holding for 50 min or more. With increasing holding time，the grain size increases，the lamellarαphase becomes longer and thinner, the strength and fracture toughness increase progressively，and ductility decreases gradually. After holding for 50 min in the single phase region, TC4-DT titanium alloy gets better match of strength，ductility and fracture toughness. The tensile strength, reduction of area, and fracture toughness are 865 MPa, 31% and 99 MPa·m1/2,

TC4-DT titanium alloyquasi-beta heat treatmetn；microstructure；mechanical properties

2015-11-06

王文杰(1975—)，男，高级工程师。

TG166.5

A

1009-9964(2016)01-0023-05