TC6合金是一种综合性能良好的马氏体型α +β两相钛合金,其名义成分为Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si。该合金室温、高温力学性能、疲劳寿命等综合性能良好;可在400 ~450 ℃下长期工作,主要用于制造压气机盘和叶片等零件,具有广泛的应用前景[1-3]TC6合金的组织和性能对热处理方式及热处理制度很敏感;目前根据合金锻件的用途,常用的热处理方式有普通退火和等温退火;其中普通退火常用于结构件的热处理,而等温退火主要适用于发动机零件对400 ℃以上高温长时间使用性能提出的要求。钛合金产品的微观组织随热处理参数范围的不同而有着不同的演变过程,最终影响到产品的性能。通过研究钛合金热处理过程中合金微观组织演变规律及合金力学性能的变化趋势,对优化钛合金热处理工艺参数﹑预测和提高钛合金产品力学性能具有重要的意义[49]

本文通过研究TC6合金的普通退火和等温退火过程,深入分析退火过程中合金微观组织的演变过程及退火温度对合金微观组织的影响;进而分析微观组织对合金力学性能的影响;最终确定退火温度、微观组织和力学性能之间的对应关系。深入理解合金的退火过程,优化合金退火温度,为TC6合金锻件的热处理过程提供依据。

试验材料与方法

试验材料为合金铸锭经开坯及多火次锻造得到的1 30 mm棒材,其化学成分如表1所示,微观组织为典型的双态组织(如图1),采用金相法测得相变点为970 ~975 ℃。在棒材上分别切取长度为75 mm的棒坯和 10 mm x 10 mm x 70 mm的试样坯;其中棒坯用于普通退火,试样坯用于等温退火,退火制度如表2所示。棒坯和试样坯热处理后,在JSM-6460扫描电镜上完成显微组织观察,在 Instron5581型电子万能材料试验机上完成性能测试。

退火温度对微观组织的影响

图2是TC6合金棒坯在800 ~920℃普通退火后的微观组织形貌。由图2中可以看出,800℃和825℃下的普通退火对合金的微观组织形貌影响不大,微观组织和合金原始组织基本一致,呈现为典型的双态组织;其中存在少量断续的晶界α相。当退火温度升高到850℃时,微观组织发生显著变化,断续晶界消失，存在少量宽厚的次生α相片层;细小的次生α相因溶入基体相而消失。当退火温度继续升高到870℃时，次生α相变粗变少,长大为链状和短棒状,并开始形成新的细长晶界。当退火温度升高到900℃时,显微组织开始发生再结晶,β晶粒逐渐长大,吞并晶界上的α相,α相含量减少,形态变得不规则。此时,β晶粒中开始析出新的针状组织。随着退火温度继续升高到920℃,再结晶效果明显;β晶粒继续吞并晶界上的α相,使α相含量明显减少,其中大部分位于晶粒交界处;同时,β晶粒尺寸增加,晶粒间出现明显的晶界,晶粒内出现清晰的细长针状组织。

图3是 TC6合金试样坯在850 ~940℃等温退火后的微观组织形貌。由图3中可以看出,当退火温度为850℃时,初生α相含量和原始组织相当;而次生α相在炉冷过程中发生等轴化,为细小的等轴和短棒状的混合组织。当退火温度升高到870℃时,较高的退火温度和较长的炉冷过程,为次生α相长大提供了能量;次生α相充分长大,部分尺寸接近初生α相;此时,等轴α相含量明显增多。随退火温度继续升高到900 ℃ ,次生α相充分长大并等轴化,和初生α相在形态上基本一致,均呈现为等轴α相。当退火温度继续升高到920 ℃,合金微观组织形态无明显变化。当退火温度升高到940℃,合金微观组织显著的变化是等轴α相的长大,尺寸较原始组织增大约40% 。

退火温度对力学性能的影响

图4( a)是TC6合金棒坯在800 ~920℃普通退火后的室温拉伸性能。由图4( a)中可以看出,随退火温度的升高,合金抗拉强度呈抛物线形变化。随退火温度从800℃升高到850 ℃ ,合金抗拉强度从1060 MPa逐渐升高到1090 MPa;当退火温度升高到870℃,其强度达到最大值。后续随退火温度的升高,合金抗拉强度逐渐降低。而合金的塑性随退火温度的变化基本保持不变。在这一过程中,合金微观组织的变化分为两个阶段,前期为细小次生α相的溶解和宽厚次生α相的长大,后期为β晶粒的形成及长大。宽厚次生α相的形成,增加了位错越过α相的阻力,使其在相界处富集,进而使合金室温拉伸强度升高。而后期随晶界的形成,合金更倾向于沿晶断裂,从而使合金强度急剧降低l10]。

图4(b)是 TC6合金试样坯在850 ~ 940℃等温退火后的力学性能。由图4(b)中可以看出,随退火温度的升高,合金抗拉强度呈台阶式降低。当退火温度在850℃和870℃时,合金抗拉强度达到最大值1O0O0 MPa;随退火温度的降低,抗拉强度继续降低,在900℃和920℃时降低至950 MPa附近;随后继续降低,直至940℃时抗拉强度达到低值约930 MPa。而退火温度的降低对合金塑性的影响不大。这一过程中,合金微观组织的主要变化是次生α相的粗化及等轴化,使等轴α相含量增多、尺寸增大。这一变化使合金中两相的界面面积减少,进而减弱了第二相的强化效果,最终使合金的抗拉强度降低。

结论

1)普通退火中,随退火温度的升高, TC6合金微观组织中细小的次生α相逐渐溶入基体相而消失,粗大的次生α相继续长大;最后合金发生再结晶,形成新的β晶粒并逐渐长大,在β晶粒内部析出新的针状组织。

2)等温退火中,随退火温度的升高, TC6合金微观组织中次生α相发生等轴化,由最初的片层组织长大为尺寸接近初生α相的等轴α相;等轴化后随退火温度的升高,等轴α相尺寸显著增加。

3)普通退火中随退火温度的升高, TC6合金抗拉强度呈抛物线形变化;并在850℃和870℃附近达到最大值约1090 MPa。在等温退火中随退火温度的升高，TC6合金抗拉强度呈台阶式降低。当温度在850℃和870℃时,TC6合金抗拉强度达到最大值约1000 MPa。