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;潘光永  余新平

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

摘要針對TC21鈦合金，基于JMatPro軟件模擬出合金等溫轉(zhuǎn)變曲線，并依據(jù)等溫轉(zhuǎn)變曲線制定合金在熱變形后的雙重退火熱處理制度，并分析其組織演變規(guī)律。結(jié)果表明，當變形條件一致，合金在不同溫度下退火后，組織中析出了片狀的a相，隨著溫度升高，析出的a相尺寸也變大；當退火溫度超過相變點后，由于過熱原因，組織中形成了魏氏體組織。合金經(jīng)二次退火后，除了生成網(wǎng)籃組織，還保留了退火前的一些組織特征；最后通過SEM觀察合金雙重退火后的組織，可知在β基體上析出了形狀細小的次生a相，且隨著溫度的升高尺寸變大，這對合金的組織性能有一定的影響。

; TC21鈦合金在經(jīng)過熱變形后，需要進行適當?shù)臒崽幚硪垣@得更好的組織和性能；鈦合金主要的熱處理方式包括退火、固溶和時效等；其中退火處理的主要目的是使零件加工后的殘余應(yīng)力減小乃至消除，并穩(wěn)定組織和性能。徐海林等研究了雙重退火以及變形工藝對TC21鈦合金組織的影響；朱知壽等研究了模鍛后的TC21鈦合金熱處理工藝參數(shù)與顯微組織演變的關(guān)系；王政等研究了TC21鈦合金在高溫超塑性拉伸后，雙重退火對組織演變的影響。

; JMatPro是金屬材料相圖計算及材料性能模擬軟件，輸入合金化學(xué)成分可計算熱導(dǎo)率、楊氏模量和剪切模量等熱物理性能，隨溫度和成分變化的相圖等。等溫轉(zhuǎn)變曲線(TTT)可綜合反映材料在不同過冷度下的等溫轉(zhuǎn)變過程，為合金的形變熱處理提供依據(jù)。余新平等研究發(fā)現(xiàn)，JMatPro軟件所計算的TC21鈦合金等溫轉(zhuǎn)變曲線有一定的參考性。因此本課題基于JMatPro軟件模擬合金等溫轉(zhuǎn)變曲線，并依據(jù)等溫轉(zhuǎn)變曲線制定合金在熱變形后的雙重退火熱處理制度，并分析其組織演變規(guī)律。

1  試驗材料和方法

; 試驗材料為TC21(a+β兩相鈦合金，化學(xué)成分見表1，用膨脹儀測得TC21鈦合金的(a+p)→盧相轉(zhuǎn)變溫度為958 ℃。

; 用線切割將合金切割成φ8 mm×12 mm的試樣，經(jīng)過表面打磨處理后，在Gleeble-3500熱模擬機上進行溫度為975℃，應(yīng)變速率為0. 001、0.01、0.1、1 S-l的準β熱壓縮變形，真應(yīng)變?yōu)?.9，變形后取出試樣立即水淬，以保留高溫組織狀態(tài)。制備金相試樣，并用配比為p(HF)：p(HN03)：p(Hz0) =1：3：7腐蝕液腐蝕，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察金相組織；再結(jié)合模擬計算所得的等溫轉(zhuǎn)變曲線，對變形后的合金制定退火工藝，研究其顯微組織演變。

1.1  JMatPro軟件模擬計算等溫轉(zhuǎn)變曲線

; JMatPro軟件模擬計算等溫轉(zhuǎn)變曲線。首先需要進入到鈦合金模塊，并輸入相應(yīng)化學(xué)成分，最后基于相變動力學(xué)模型，計算得到等溫轉(zhuǎn)變曲線；如果合金在某一溫度退火時，隨著時間的延長會發(fā)生相轉(zhuǎn)變，則其相變動力學(xué)模型用下式表示：

式中，V為t時刻的含量變化；T為溫度；Veq為析出相的平衡量；Gr為增長速度；Nr為形核率。

; 模擬得到等溫轉(zhuǎn)變曲線，見圖1。在低溫時效時，亞穩(wěn)定β相首先分解形成w相，而w相是硬質(zhì)相，會使合金的塑性、韌性降低，從而使合金的強度降低，硬度升高，因此時效時應(yīng)避免產(chǎn)生倒相。等溫時涉及到的相變有兩個過程β→β+w和β+w→β+a，亞穩(wěn)定β相低溫時效時首先析出的是叫相，繼續(xù)時效時w相會轉(zhuǎn)變?yōu)閍相；時效過程中生成w相對合金組織有調(diào)節(jié)作用，雙時效過程就是通過w中間相的形成，使最終析出的相細小均勻，使合金具有良好的綜合性能。

1.2熱處理方案的制定

; 由等溫轉(zhuǎn)變曲線可知TC21鈦合金在800～900℃等溫時，處于曲線鼻尖位置，合金在高溫退火時效時在鼻尖溫度區(qū)間的停留時間不能太長。且由圖1可知，TC21鈦合金在高溫900℃左右等溫時，合金亞穩(wěn)β相全部轉(zhuǎn)為針狀a相的時間為1.2 h左右，因此選擇第1次退火時間為45 min;在此基礎(chǔ)上，雙重退火熱處理制度制定如下。

; (1)熱處理方案1  第1次退火(875、900、925)℃×45 min+空冷。

; (2)熱處理方案2第1次退火900℃×45 min+空冷十第2次退火(560、590、620)℃×4h+空冷。

2  結(jié)果與討論

2.1  熱壓縮變形后的金相顯微組織

; TC21鈦合金經(jīng)975℃，應(yīng)變速率為0.001、0.01、0.1、1 s-i的準p熱壓縮變形后的金相顯微組織見圖2。由于熱變形溫度超過了相變點，所以組織中為單一的β相；同時當應(yīng)變速率變大時，組織中的β晶粒尺寸也不斷變小；在較低應(yīng)變速率(0. 001  s-1)時，β晶粒有充分的時間發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶并長大。隨著應(yīng)變速率變大(0.1 s-1)，組織中產(chǎn)生了細小的再結(jié)晶晶粒，組織形狀趨于帶狀。這是動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶共同作用的結(jié)果，同時晶粒沒有發(fā)生長大，這是由于應(yīng)變速率加快，沒有足夠的時間進行長大的結(jié)果；當應(yīng)變速率為1s-l時，組織沒有發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，呈現(xiàn)出典型的帶狀動態(tài)回復(fù)特征。

2.2第1次退火后合金顯微組織的演變

; TC21試樣經(jīng)0.001 s-1、975℃的高溫變形后，再進行不同溫度退火后的組織見圖3。由圖3可知，當合金在不同溫度下退火后，組織中都析出了a相。另外可觀察到，當退火溫度為985℃（超過相變點）時，得到的組織和其他退火溫度下的組織有著明顯的區(qū)別，此時組織為典型的魏氏體組織，這是由于過熱導(dǎo)致的。當退火溫度為875℃時，從原始單一的β相組織中析出了片狀的a相，隨著溫度升高到900℃時，組織形態(tài)較875℃發(fā)生了一定的變化，析出的a相部分為短棒狀，隨溫度升高到925℃及950℃時，析出的a相開始粗化。

2.3雙重退火后合金顯微組織的演變

; 對于熱變形后的TC21鈦合金來說，在經(jīng)過第1次退火后，往往要進行第2次退火來進一步調(diào)整析出a相的含量和形態(tài)，以提高合金的強度，并穩(wěn)定組織和性能。圖4為975℃下，不同應(yīng)變速率熱變形后，經(jīng)雙重退火后合金的顯微組織演變。由圖4可知，TC21鈦合金經(jīng)雙重退火后，形成了粗大的β晶粒邊界，但有不同程度的破碎，出現(xiàn)了一些離散分布的顆粒狀晶界a相，原始β晶粒內(nèi)a片交織排列，編織成網(wǎng)籃狀組織；當應(yīng)變速率為0. 001 s-1時，觀察到網(wǎng)籃組織編織較好，原始β晶粒較大；當應(yīng)變速率為0.1 S-1時，可以觀察到，除了生成網(wǎng)籃組織，其原始口晶粒尺寸也較小；而當應(yīng)變速率為1 S-1時，組織呈明顯帶狀的特征，這是典型的動態(tài)回復(fù)特征。由此可以判斷，合金經(jīng)二次退火后，除了生成網(wǎng)籃組織，還保留了退火前的一些組織的特征：當應(yīng)變速率≤0.1 S-1時，隨著應(yīng)變速率的變大，原始β晶粒尺寸變小。這是由于退火前，此變形條件下，組織發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生了細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒。

; 其中當應(yīng)變速率為0. 001 S-1時，觀察第2次退火溫度為560～620℃不同溫度合金顯微組織，組織形貌都為網(wǎng)籃組織，且隨著第2次退火溫度的升高，合金組織幾乎沒有變化。而從等溫轉(zhuǎn)變曲線可知，退火時其涉及到的相變有兩個過程：β→β+w和β+w→β+a，亞穩(wěn)

定β相在較低溫度時效時最早出現(xiàn)的是叫相，繼續(xù)時效時w相會轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊鷄相。

; 圖5為第2次退火溫度對合金影響的SEM組織�？梢钥闯�，在β基體上析出形狀相對細小的較多的次生a相，且隨著溫度的升高，二次a相在基體上變得更稀疏，且尺寸變得更大。

3  結(jié)  論

; (1)通過JMatPro軟件計算得到TC21鈦合金的等溫轉(zhuǎn)變曲線，并據(jù)此研究制定了合金的雙重退火熱處理制度。

; (2)當TC21鈦合金在不同溫度下退火后，從原始單一的β相組織中析出了片狀的d相，且組織形態(tài)發(fā)生了一定的變化。隨著溫度升高，析出的a相尺寸變大；當溫度超過相變點后，組織中形成了魏氏體組織，這可歸因于過熱。

; (3) TC21鈦合金經(jīng)雙重退火后，除了生成網(wǎng)籃組織，還保留了退火前的一些組織特征，當應(yīng)變速率≤0.1s-l時，隨著應(yīng)變速率的變大，β晶粒尺寸變小；當應(yīng)變速率≥1 S-1時，組織依原始β晶界成帶狀，延續(xù)了典型的動態(tài)回復(fù)特征。SEM觀察可見，在β基體上析出了形狀細小的次生a相，且隨著溫度的升高尺寸變大，這會在一定程度上影響合金的組織性能。