热处理方式对TC4ELI钛合金组织与性能的影响.pdf

工艺研究August,20232023年8 月RECHULI JISHU YU ZHUANGBEIVol.44,No.4热处理技术与装备第44卷第4期热处理方式对TC4ELI钛合金组织与性能的影响王炳正，张睿峰，王旭明，王炜，常富强，闫沛堂，王玉刚（兰州兰石有限公司铸锻分公司，甘肃兰州730000)摘要：采用4种不同的热处理工艺对低间隙TC4钛合金（TC4ELI)进行热处理，采用GX51光学金相显微镜、6 0 0 kN微机控制电液伺服万能试验机对试样进行显微组织观察与常温力学性能检测。结果表明，双重退火后得到等轴相+转变基体组织，材料具有较高的塑性；再结晶退火后得到双态组织，力学性能最好，屈服强度、抗拉强度分别达到10 2 8 MPa和10 7 5MPa退火后得到存在大量退火李晶相+针状马氏体组织，塑性最差，伸长率为9%；固溶+时效处理后组织为稳定相+及次生等轴相组织，抗拉强度达到10 2 2 MPa。考虑材料使用环境的强度和塑性的最佳匹配，TC4ELI钛合金最佳热处理方法为再结晶退火，即9 6 51h,AC+7501h,A C。关键词：TC4ELI钛合金；热处理；微观组织；力学性能中图分类号：TG156.92文献标识码：A文章编号：16 7 3-49 7 1（2 0 2 3)0 4-0 0 16-0 4Effect of Heat Treatment Methods on Microtructure andProperties of TC4ELI Titanium AlloyWANG Bing-zheng,ZHANG Rui-feng,WANG Xu-ming,WANG Wei,CHANG Fu-qiang,YAN Pei-tang,WANG Yu-gang(Lanzhou Lanshi Co.,Ltd.,Casting and Forging Branch,Lanzhou Gansu 730000,China)Abstract:Four different heat treatment processes were used to heat treat for TC4ELI titanium alloy,andthe microstructure was observed and the mechanical properties at room temperature were tested by GX51optical metallographic microscope and 600 kN microcomputer-controlled electro-hydraulic servo universaltesting machine.The results showed that the equiaxed phase+transformation matrix structure was ob-tained after double annealing,and the material had high plasticity.After recrystallization annealing,thebimodal structure was obtained with the best mechanical properties,the yield strength and tensile strengthreached 1028 MPa and 1075 MPa,respectively.After annealing,the phase+needle-like martensitestructure with a large number of annealed twins was obtained,the plasticity was the worst,and the elonga-tion was 9%.After solution+aging treatment,the stable phase +and secondary equiaxial phasestructure was obtained,and the tensile strength reached 1022 MPa.Considering the best match of strengthand plasticity in the material usage environment,the best heat treatment method for TC4ELI titanium alloyis recrystallization annealing,which is 965 1 h,A C+7 50 1 h,A C.Key words:TC4ELI titanium alloy;heat treatment;microstructure;mechanical properties收稿日期：2 0 2 3-0 4-10作者简介：王炳正（19 8 3一），男，高级工程师，硕士，主要从事材料加工及热处理工作。联系电话：18 9 19 8 4459 5；E-mail：c f q 1512 16 3.c o m17.王炳正等：热处理方式对TC4ELI钛合金组织与性能的影响第4期钛及钛合金因密度小于绝大多数结构材料，且比强度高、耐腐蚀性高，被广泛应用于航空航天、船舶、石油化工和生物医学等众多重要领域1-4。TC4作为一种双相（+）合金，因其强度高、耐蚀性优良且拥有良好的生物相容性，成为工业应用中最通用的钛合金；但TC4钛合金在室温条件下塑性较低、变形困难使其应用受到一定限制 5-6 。TC4ELI 钛合金是一种杂质元素较低的合金，被称为低间隙TC4钛合金。在实际熔炼中，TC4ELI钛合金需要将杂质元素中的0 含量控制在0.13%以下，与TC4合金相比，TC4ELI合金由于间隙元素O含量较低，有效地降低了TC4合金的低温脆性，表现出良好的低温塑性，在提高材料韧性的同时保持一定的强度水平 7 。为满足TC4ELI材料塑性与强度的匹配要求，需要通过金属塑性变形与热处理来调控不同组织与力学性能 8 。任驰强等采用不同固溶-时效热处理工艺，揭示了TC4钛合金固溶过程中亚稳相与的形成,根据不同时效温度调控力学性能 9 。因TC4ELI钛合金属于低间隙合金,其塑性较TC4合金虽有提升,但强度比TC4合金低50 10 0 MPa7。采用船舶耐压舱环锻件冲孔芯料，通过不同热处理方式调控TC4ELI显微组织，探究不同热处理方式对TC4ELI钛合金力学性能的影响，为TC4ELI钛合金能在生产中获得强塑性和强韧性匹配提供依据，并指导该合金工业生产与应用。1试验材料及方法1.1TC4ELI钛合金试样制备试验用TC4ELI钛合金采用0 级海绵钛，经3次真空自耗熔炼，其化学成分（质量分数，%）为：6.25A1、4.14V、0.138 Fe、0.0 0 9 C、0.0 8 7 0、0.0 0 5N、0.001H、余量Ti。采用计算法得出TC4ELI钛合金相变温度为9 7 3。铸锭经过1150 与10 7 0 完成开坏锻造，再经过+两相温区（8 0 0 9 6 0）完成环件锻造成型，试样锻态显微组织如图1所示。试样组织形貌为相与相转变组织，相形貌存在球形与长条形，相中还存在少量的针状次生相。材料热加工后的锻态组织是后续不同热处理制度下组织演变的基础。1.2试验方法在锻态芯料上共截取4组试样，试样尺寸均为20mm20mm180mm，采用HR-1400型号箱式电阻炉进行热处理加热，热处理制度如表1所示。50m图1TTC4ELI钛合金锻态显微组织Fig.1Microstructure of TC4ELI titanium alloy as forged表1热处理制度Table1Heat treatment system序号热处理方式热处理制度1#双重退火7501h 转至6 30 1h,AC2#再结晶退火965 1 h,A C;7 50 1 h,A C3#退火1010 1 h,A C4#固溶+时效9601h,W Q;6 6 0 1h,A C从不同热处理试样上切取金相和拉伸试样进行微观组织观察和力学性能检测。试样经机械研磨抛光,采用配比为10 mLHF+5mLHNO，+8 5m LH,0的腐蚀溶液进行金相腐蚀，在GX51光学金相显微镜下进行显微组织观察。根据标准GB/T228.12021金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，采用6 0 0 kN微机控制电液伺服万能试验机进行拉伸试验，每组1个试样，拉伸试样尺寸如图2 所示。01标距5070150图2 拉伸试样图Fig.2Drawing of tensile specimens2结果与分析2.1显微组织不同热处理制度下TC4ELI钛合金的显微组织如图3所示。图3（a)为双重退火后TC4ELI钛合金的显微组织，与锻态组织（图1)相比，初生相有所增大，针状次生相消失，取而代之的是小尺寸等轴次生相以及少量的相组织。在双重退火过程中，初生条状相长大，长宽比减小，条状相有转变为等轴晶的趋势；但一重退火后未冷却，随后进行18第44卷热处理技术与装备二重退火，初生条状相未形成等轴晶。由于TC4ELI钛合金经过了充分的锻造变形，变形后组织中存在大量的晶格畸变 10 ,次生相形核也较多；但二重退火温度较低，温度为6 30，因此基体中二次析出的相尺寸较小，保温时间较长，二次析出相呈等轴状 图3（b）为再结晶退火后TC4ELI钛合金的显微组织，初生相组织含量明显小于50%，为典型的双态组织。温度升高至9 6 5，接近（+)/相变温度，条状相持续向相转变，含量急剧下降,在冷却过程中基体中形成少量等轴相。由于第二次退火温度较低,因此等轴相尺寸较小,为2 5 35m。在750保温过程中，片层状相沿着晶界不断析出，在晶内沿着特定晶面析出，组织形成了含有少量等轴相和大量针状相的编织状多尺度片层组织，针状集束之间互相交叉编织,形成双态组织 12 O图3（c）为退火（T+40）后TC4ELI钛合金的显微组织，在此温度下大部分相转化为相，冷却过程中，初生相在析出过程中形成等轴晶，但由于变形钛合金的原始组织存在拉长的扭曲相，因此退火后形貌中存在条状相,同时在相转变基体中析出针状马氏体。图3(d)为固溶+时效处理后TC4ELI钛合金的显微组织,为少量等轴初生相+时效基体相组织 13。固溶过程中，大量的相在9 6 0 温度下转变为相，保温结束后进行水冷，阻止相形核长大，保留了高温相组织，在快速冷却的同时发生马氏体相变,为时效相变提供组织基础。图3（e）为固溶+时效热处理后TC4ELI钛合金的50 0 倍形貌，可以看出,在时效基体相中存在大量细小的析出相 9.14。时效处理对固溶得到的亚稳组织进行低温热处理，使析出的相为稳定细小的等轴组织。a(b)50m50m50um(d)e50m20m(a)双重退火；(b)再结晶退火；(c)退火；(d,e)固溶+时效图3不同热处理制度下TC4ELI钛合金的显微组织(a)double annealing;(b)recrystallization annealing;(c)annealing;(d,e)solid solution+agingFig.3Microstructure of TC4 ELI titanium ally under different heat treatment system2.2力学性能不同热处理制度下TC4ELI钛合金的室温力学性能如表2 所示。由表2 中可知，再结晶退火试样的抗拉强度与屈服强度最大，分别为10 7 5MPa和1028MPa;双重退火试样的伸长率与断面收缩率最大，分别为35.5%和46%。双重退火试样的组织为大量的等轴与扭曲条状相，晶粒尺寸较大，在拉伸过程中位错在滑移时在晶界处将变性能分配到周围的晶粒，通过晶界时有效减少了位错的塞积 7 因此双重退火后TC4ELI钛合金的强度较低，但表现出良好的塑性15-16 。再结晶退火试样为初生相小于50%的双态组织,并且基体中有大量的针状相极速生长且位向混乱，因此在变形过程中位错滑移至晶界处难以协调变形分散变形能 17 ，容易出现塞积与钉扎，从而发生应力集中，因此再结晶退火条件下TC4ELI合金强度较高,但塑性降低 18 19.第4期王炳正等：热处理方式对TC4ELI钛合金组织与性能的影响退火试样的伸长率最小，仅为9%，在10 10 退火条件下形成的马氏体属于李晶型亚结构，组织中有大量的退火李晶。李晶界会导致位错运动的平均自由程降低,较少晶体变形的滑移系数量,导致组织硬化，显著降低材料塑性。固溶+时效试样的抗拉强度与屈服强度分别为1022MPa和9 49 MPa，伸长率为12.5%。由于固溶处理的温度较高，固溶处理过程中初生相较少，同时组织中会析出大量的亚稳相；时效处理将亚稳相转化为稳定相，析出稳定的细小等轴组织，断裂过程中裂纹在时效基体中扩展延伸的路径更曲折，导致断裂需要消耗更大的能量，因此时效+固溶试样的强度较高,塑性略差。表2不同热处理制度下TC4ELI钛合金的力学性能Table2Mechanical properties of TC4ELI titanium alloy underdifferent heat treatment system热处理方式R.0.2/MPaRm/MPaA/%Z/%双重退火91996435.546再结晶退火1028107515.539退火8738979.039固溶+时效949102212.5183结论1）不同热处理制度下TC4ELI钛合金得到不同组织，双重退火后组织为等轴相+转变基体，再结晶退火得到双态组织，退火得到相+针状马氏体组织，固溶+时效处理得到稳定相+及次生等轴相组织。2)不同热处理制度下TC4ELI钛合金的常温力学性能各有不同，再结晶退火后材料强度最大，屈服强度为10 2 8 MPa，抗拉强度为10 7 5MPa；双重退火后材料塑性最高，伸长率为35.5%，断面收缩率为35.5%。考虑材料使用环境的强度和塑性的最佳匹配，最佳热处理方式为再结晶退火，即9 6 51h，AC+7501 h,A C。3)退火（T+40）后形成李晶型亚结构的马氏体组织，并且组织中存在大量李晶界，形成组织硬化，会显著降低材料塑性。参考文献1姚梦，刘勇，朱景川.TC11钛合金双重热处理工艺设计J.热处理技术与装备，2 0 16,37（5）：6 5-7 0.2史小云，郝芳，张晓园，等.变形量对TC25钛合金饼坏组织和力学性能的影响 J.材料开发与应用，2 0 17,32（5）：28-32.3赵永庆.国内外钛合金研究的发展现状及趋势 J.中国材料进展,2 0 10,2 9（5）：1-8,2 4.4张颖，赖长亮，和卫平，等.潜水器耐压壳结构选材应用综述 J.舰船科学技术,2 0 2 2,44(5）：1-6.5张志雄，章俊涛，韩建超，等.马氏体组织Ti-6AI-4V钛合金多向等温锻造组织演变及力学性能强化研究J.中国机械工程,2 0 2 1,32（2 2）：2 7 39-2 7 48.6谢峰，马亮，刘玉磊，等.双相钛合金Ti-6Al-4V微观组织特征的定量表征方法 J.机械工程学报，2 0 2 1,57（12）：217-225.7董晓锋，张明玉，周江山，等.热处理对TC4ELI钛合金显微组织与力学性能的影响 J.热加工工艺,2 0 2 2,51(2 4）：142-146.8王大宏，孙先成，王铮，等.固溶温度对TC18钛合金组织与力学性能的影响 J.热处理技术与装备,2 0 18,39（3)：2530.9任驰强，丁一明，李佳佳，等.固溶-时效对TC4钛合金显微组织和力学性能的影响 J.湖南有色金属,2 0 2 2，38(2):44-46,55.10龙玮,夏麒帆，张松，等.双重退火对形变TC4钛合金组织与性能的影响 J.贵州大学学报（自然科学版），2019,36(5):50-54.11徐海林,董洪波，朱深亮.双重退火对TC21钛合金高温变形后组织的影响 J.材料热处理学报，2 0 14,35（7）：65-68.12 毛江虹，杨晓康，罗斌莉，等.热处理温度对TC4ELI合金组织与性能的影响 J.金属热处理，2 0 2 0,45（2)：166 174.13 谭海波，师周龙，张书美，等.退火参数对Ti6A14V合金组织和性能的影响 J.金属热处理，2 0 2 1,46（1)：209-213.14 吕逸帆，张毅，景宝全，等.固溶时效对TC4ELI钛合金组织和性能的影响 J.中国有色金属学报,2 0 10,2 0（S1）：616-619.15 马英杰，刘建荣，雷家峰，等.多重热处理对TC4合金的组织和力学性能的影响 J.材料研究学报，2 0 0 8（5）：555-560.16 范梅香，熊毅，陈艳娜，等.TC11钛合金室温高周疲劳断口及微观组织 J.河南科技大学学报（自然科学版),2 0 19,40(1):6-11.17 NNiinomi M,Kobayashi T.The effect of microstructure onimpact toughness of TC4 titanium J.Materials Science&Engineering,1988,100:45-55.18万明攀，伍玉娇,孙捷，等.固溶温度对TC4ELI钛合金组织和性能的影响 J.热加工工艺，2 0 12,41（2 0）：145-147.