TC21是我國(guó)自主研發(fā)的高強(qiáng)高韌鈦合金，名義成分為Ti–6.4Al–3Mo–1.9Nb–2.1Zr–2Sn–1.5Cr，經(jīng)固溶處理后，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1100 MPa以上。因其優(yōu)異的綜合性能，已在國(guó)內(nèi)宇航領(lǐng)域獲得大量使用[1−3]。由于TC21合金強(qiáng)度高，加工難度大，前期國(guó)內(nèi)主要以鍛造方式生產(chǎn)棒材和鍛件。對(duì)于TC21合金鍛造產(chǎn)品已進(jìn)行大量研究工作[4−6]，而本文則針對(duì)厚度為6.3 mm的板材開展熱處理工藝對(duì)其性能和組織影響的研究，為后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1.   實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1   實(shí)驗(yàn)材料

坯料為在相變點(diǎn)以下30~50 °C鍛造板坯，其規(guī)格為153 mm×502 mm×802 mm。鑄錠采用3次真空自耗電弧熔煉（VAR）熔煉，鑄錠扒皮、切冒口處理，鑄錠頭部取樣采用金相法檢測(cè)相變點(diǎn)為970 °C。經(jīng)過三火次軋制生產(chǎn)工藝制備出厚度6.3 mm的TC21板材，熱軋后未經(jīng)熱處理（熱軋態(tài)）及固溶時(shí)效后的板材各兩塊，對(duì)其板材采用水切割方式取試樣，化學(xué)成分見表1。

1.2   板材熱處理

使用高精度（±2 °C）箱式熱處理爐對(duì)試樣進(jìn)行熱處理，先選取不同固溶溫度對(duì)試樣進(jìn)行固溶處理，固溶熱處理時(shí)間均為1 h，冷卻方式為空氣冷卻（AC）。對(duì)最優(yōu)固溶溫度（900 °C）處理后的試樣進(jìn)行不同溫度的時(shí)效處理，時(shí)效熱處理時(shí)間均為4 h，冷卻方式為空氣冷卻，固溶溫度與時(shí)效溫度見表2。

1.3   性能測(cè)試

測(cè)試了板材的顯微組織、拉伸性能，其中板材力學(xué)性能均按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3621—2007實(shí)驗(yàn)方法執(zhí)行，測(cè)試方向?yàn)闄M向（T），為保證測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)確性，每個(gè)熱處理制度測(cè)試3個(gè)樣，結(jié)果取平均值。

2.   結(jié)果與討論

2.1   固溶溫度對(duì)板材顯微組織的影響

圖1為板材在熱軋態(tài)及固溶處理后的橫向顯微組織照片。從圖中可以看出，熱態(tài)組織和固溶處理后的組織均為α+β兩相區(qū)加工態(tài)組織，隨著溫度的升高，組織中初生α相含量減少，次生α相含量增加，組織更加均勻細(xì)小。當(dāng)溫度達(dá)到900 °C時(shí)，晶粒尺寸最小，組織最均勻。隨著熱處理溫度繼續(xù)升高，920 °C時(shí)，已出現(xiàn)了β相，溫度繼續(xù)升高至940 °C，由于退火溫度接近相變點(diǎn)，此時(shí)晶粒長(zhǎng)大顯著，組織中大部分為β相及較少的初生α相及次生α相。這種粗大的β組織對(duì)綜合性能不友好。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，要想得到組織均勻，綜合性能優(yōu)異的板材，一般都需要進(jìn)行雙重?zé)崽幚?/span>[7]，下文將對(duì)經(jīng)過900 °C固溶處理的板材試樣進(jìn)行時(shí)效熱處理。

2.2   固溶溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響

圖2為不同固溶溫度下板材橫向力學(xué)性能，可以看出，熱態(tài)板材的橫向抗拉強(qiáng)度（Rm）達(dá)到1307 MPa，經(jīng)840 °C退火后強(qiáng)度降低，隨著固溶溫度的升高，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度（Rp0.2）呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到900 °C時(shí)，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到最大值1315 MPa和1195 MPa，這是因?yàn)殡S著固溶溫度的升高初生α相含量減少，900 °C時(shí)晶粒最細(xì)小，達(dá)到最佳的強(qiáng)化效果，并且較高的固溶溫度可使TC21鈦合金在固溶退火后組織中保留更多的β相，進(jìn)而促使組織在時(shí)效處理后能析出更多的次生α相，提高強(qiáng)化效果[8]。溫度繼續(xù)升高到940 °C，晶粒長(zhǎng)大，板材強(qiáng)度降低。隨著固溶溫度的升高，材料的延伸率（A）和斷面收縮率（Z）先增大后減小，在860 °C時(shí)在到最大，是因?yàn)榇藴囟认?，材料?nèi)組織均勻，晶粒細(xì)小，材料的韌性相對(duì)較高。

2.3   時(shí)效溫度對(duì)板材顯微組織的影響

圖3是對(duì)900 °C固溶處理后的板材，再經(jīng)過540~620 °C固溶時(shí)效處理后的組織照片，可以看出各時(shí)效溫度下組織均為α+β兩相區(qū)加工組織，淺色為α相，深色為β相，時(shí)效溫度對(duì)組織變化影響不大，經(jīng)測(cè)定初生α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右，600 °C時(shí)組織最均勻，晶粒細(xì)小，等軸化最明顯，有少量次生α相析出，在此過程中通常會(huì)得到較高的強(qiáng)度和塑性[8]，由此推斷此溫度下的時(shí)效效果最佳。

2.4   時(shí)效溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響

對(duì)900 °C固溶后的板材進(jìn)行540~620 °C時(shí)效處理，板材的力學(xué)性能如圖4所示?？梢钥闯鲭S著時(shí)效溫度的增大，板材強(qiáng)度變化不大，600 °C時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值1275 MPa，同時(shí)抗拉強(qiáng)度為1350 MPa。板材的延伸率（A）變化不大，但是斷面收縮率（Z）達(dá)到最大值32.6%。

3.   結(jié)論

（1）不同固溶溫度對(duì)TC21鈦合金板材（6.3 mm）組織有較大的影響，隨著固溶溫度的升高，組織中β相增多，900 °C時(shí)組織更加均勻細(xì)小，板材的強(qiáng)度達(dá)到最高。

（2）固溶后的板材再經(jīng)過時(shí)效處理，組織和性能更加優(yōu)異，600 °C時(shí)效后屈服強(qiáng)度達(dá)到最大1275 MPa，斷面收縮率最高。

（3）TC21板材（6.3 mm）選用900 °C/1 h，AC+600 °C/4 h，AC雙重退火制度，可以得到板材的強(qiáng)度和塑性的良好匹配。

文章來源——金屬世界