大規格TC18鈦合金棒材組織與力學性能的研究

鈦及鈦合金具有強度高、耐高溫、耐腐蝕、無磁性等眾多優異性能，導致其在眾多領域都有十分廣泛的應用，例如：海洋工程、石油勘探、化學化工、航天航空等領域[1］。TC18鈦合金為一種十分常見的高強高韌鈦合金，其名義成分是Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，因為該合金具有良好的力學性能，所以其在飛機起落架、飛機承重梁等大型承力結構件中有十分廣泛的使用[2］。

因為TC18鈦合金的廣泛使用，國內外學者對該合金的研究同樣十分廣泛，熊智豪等[3］對TC18鈦合金棒材進行了多火次鍛造加工，對“高－低－高－低”工藝進行分析，得出了該合金在多火次鍛造加工中β相的織構演變規律。朱雪峰等[4］對TC18鈦合金在單相區固溶后出現的黑斑進行分析，發現這是由于未完全再結晶β晶粒內的亞晶以及位錯所致。雖然目前對TC18鈦合金的研究是十分廣泛，但大多數以鍛造加工為主，相比于鍛造加工，熱處理具有高效、快捷、方便等優點，故本文選擇直徑為400mm的大規格TC18鈦合金棒材，對其進行熱處理，研究熱處理、微觀組織、力學性能三者之間的關系，為大規格TC18鈦合金棒材在實際工程中的應用作出相應參考。

1、試驗材料與方法

選用直徑為400mm的大規格TC18鈦合金棒材作為試驗材料，棒材經三次真空自耗熔煉爐熔煉并經多火次鍛造而成，對試驗用棒材進行化學成分測試，測得棒材具體化學成分為：51%Al、51%Mo、48%V、0.9%Cr、0.8%Fe、Ti余量。采用金相法對試驗用棒材進行相變點檢測，測得棒材相轉變溫度為880～885℃。隨后將試驗用TC18鈦合金棒材進行切割加工，從切割完成的試樣中進行取樣加工，觀察棒材金相組織，并測試棒材拉伸性能與沖擊性能，其中金相組織觀察使用型號為AxiomaTic型光學顯微鏡，拉伸性能測試使用InsTron型電子萬能試驗機，沖擊性能測試使用DJK-1型試驗機測試。

2、試驗結果與討論

2.1 原始鍛態組織

棒材原始鍛態金相組織如圖1所示，由圖1可得，棒材橫向以及縱向金相組織十分接近，并無明顯差異，棒材原始鍛態金相組織由粗大β晶粒組成，存在明顯晶界，在晶界附近有細小α相存在，在粗大β晶粒內部同樣存在較多細小α相，經測試組織中平均晶粒尺寸為0.4603mm，最大晶粒尺寸為1.255mm。

2.2 熱處理后金相組織

使用箱式電阻爐對試驗用TC18鈦合金棒材進行熱處理，具體熱處理制度為835℃/2h爐冷至750℃／2hAC＋620℃/4hAC，其中AC表示室溫冷卻，合金經熱處理后的橫向與縱向金相組織如圖2所示，由圖2可知，合金橫向與縱向金相組織相差較小，經熱處理后的金相組織主要由晶界α與次生α相構成。

原始鍛態組織中的粗大晶粒在鍛造過程中發生扭轉、拉長、破碎，隨后在第一階段（835℃／2h爐冷至750℃/2hAC）加熱過程中，組織內會發生再結晶，鍛造加工時形成的破碎晶粒會轉變成位錯密度較低的小晶粒，釋放變形儲能，在750℃保溫過程中，在原始晶界位置的小晶粒會逐漸長大，故組織中出現晶界α。同時可以發現，組織中可見明顯的β轉變組織，合金在經歷620℃／4hAC的第二次退火處理后，會提高組織的穩定性，同時組織中的亞穩定β相會進行分解，析出長條狀的次生α相，與晶界α構成β轉變組織。

2.3熱處理后力學性能

合金經加熱處理后的力學性能見表1，由表1可知，合金橫向與縱向力學性能較為接近，無明顯差異，說明TC18鈦合金棒材均勻性良好，無明顯各向異性。在拉伸性能方面，分別測試棒材的抗拉強度（Ｒ_ｍ），屈服強度（Ｒ_ｐ0.2），斷后延伸率（Ａ）以及斷面收縮率（Ｚ），可以發現，合金在具有較高強度同時，并具有較好的塑性，這是由于合金經熱處理后，組織中包含大量的細小次生α相，導致拉伸過程中位錯的滑移距離減小，大量細小次生α相會增加組織中位錯線的密度以及均勻性，在晶界處形成的位錯塞積減小，這會推遲在拉伸過程中空洞的生長，導致在發生斷裂前期，拉伸試樣會產生較大形變，導致合金塑性較高[5］。在沖擊性能方面，測試棒材的沖擊吸收功（Ｊ）與沖擊韌性（Ｊ／ｃｍ2），可以發現，棒材橫向與縱向沖擊性能接近，差異較小。通常情況下，影響合金沖擊性能的因素主要有組織內部裂紋開動以及裂紋延伸所需要的能量，故合金組織的抗裂紋開動以及抗裂紋延伸能力是影響合金沖擊性能的本質[6］，TC18鈦合金棒材在測試沖擊性能時，會受到組織中α相的形貌尺寸以及含量的影響，沖擊裂紋通常在α／β相界處或者α／β晶粒的晶界產生。因為合金經熱處理后，組織中含有大量次生α相，當裂紋形成并進行擴展的過程中，裂紋擴展的尖端在與次生α相相遇時，裂紋擴展的方向會產生偏移，順著次生α相的位向方向擴展，由于組織中次生α相含量較多且交錯排列，會導致裂紋發生不連續擴展，增加擴展路徑長度，導致合金的沖擊吸收功與沖擊韌性較高[8］。

2.4 斷口微觀形貌

棒材拉伸性能與沖擊性能的斷口微觀形貌如圖3所示，在拉伸性能方面，圖3ａ、圖3ｂ分別為橫向與縱向的拉伸斷口微觀形貌，二者的斷口微觀形貌均以等軸狀韌窩為主，韌窩尺寸較大且深度較深，韌窩的形貌會反應合金的塑性性能，當韌窩數量較多且深度較深時，合金的塑性較高，反之亦然[7］。由圖3ａ、圖3ｂ可知，該棒材具備較好的塑性，且抵抗裂紋擴展的能力較差，容易滿足拉伸過程中裂紋擴展所需要的條件，組織內部的裂紋在擴展過程中，即可順著晶界處發生擴展，也可進行穿晶擴展，宏觀體現為棒材塑性較好。在沖擊性能方面，圖3ｃ、圖3ｄ分別為橫向與縱向的沖擊斷口微觀形貌，二者的斷口形貌同樣是以等軸狀韌窩為主，這與拉伸過程中裂紋擴展路徑相近，沖擊斷口微觀形貌的韌窩起到吸收能量的效果，韌窩的深度與尺寸能體現出合金在受到沖擊應力時的狀態和組織中裂紋的擴展性，同時體現出合金裂紋擴展路徑的曲折程度，當韌窩較多且尺寸較大時，合金的沖擊吸收功與沖擊韌性較高[8］。

3、結論

1.棒材的原始鍛態金相組織由粗大β晶粒組成，存在明顯的晶界，在晶界附近有細小α相存在，在粗大β晶粒內部同樣存在細小α相，經熱處理后，組織中出現了由顆粒狀形成的晶界α。

2.經熱處理后，棒材的橫向與縱向力學性能較為接近，無明顯各向異性。

3.拉伸性能與沖擊性能斷口微觀形貌均以等軸狀韌窩為主，韌窩尺寸較大且深度較深。

參考文獻：

[1]關蕾，魏高燕，李瑞，等.軋制工藝對TＣ20鈦合金小規格棒材組織和力學性能的影響[Ｊ］.世界有色金屬，2021（24）：1－3.

[2]陳立全，楊平，李志尚，等.TC18鈦合金棒材鍛造織構的模擬[Ｊ］.稀有金屬材料與工程，2021，50（10）：3600－3608.

[3]熊智豪，李志尚，楊平，等.大規格TC18鈦合金棒材多火次鍛造中β相織構演變規律[Ｊ］.鈦工業進展，2021，38（6）：6－11.

[4]朱雪峰，周瑜，樊凱，等.TC18鈦合金固溶過程中黑斑組織的形成機理[Ｊ］.材料導報，2020，34（Ｓ1）：28９－2９2.

[5]郭小汝，張俊喜，易湘斌，等.次生α相含量對TC18鈦合金動態壓縮性能和絕熱剪切敏感性的影響[Ｊ］.材料熱處理學報，2020，41（10）：24－30.

[6]陳素明，胡生雙，張穎，等.退火工藝對增材制造TC18鈦合金力學性能和組織的影響[Ｊ］.金屬熱處理，2020，45（8）：142－146.

[7]劉瑩瑩，張君彥，王夢婷，等.TC18鈦合金棒材和鍛件的沖擊性能及斷口分析[Ｊ］.稀有金屬，201９，43（8）：8９1－8９6.

[8]李佳潼，劉冉，朱遠志，等.TC18鈦合金熱處理過程中α相的等軸化行為[Ｊ］.金屬熱處理，2018，43（8）：60－64.