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鄒忠波  董洪波  朱深亮  王鑫  王明主

 （南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院）

摘要  TC21鈦合金在超塑性拉伸后進(jìn)行不同溫度的三重?zé)崽幚恚�研究三重�(zé)崽幚頊囟葘?duì)超塑性拉伸后組織的影響。結(jié)果表明，超塑性拉伸組織后在940℃以上進(jìn)行一重?zé)崽幚砗�，大部分a相轉(zhuǎn)化為B相和B轉(zhuǎn)變組織，隨著一重?zé)崽幚頊囟鹊纳�高，B晶界逐漸完整，空冷后得到等軸B晶粒。二重?zé)崽幚砗笤贐晶粒內(nèi)彌散析出許多細(xì)小針狀次生a相，隨二重?zé)崽幚頊囟鹊纳�高，析出的次生a相含量增多，尺寸增大。三重?zé)崽幚砗筢槧頰相間有更為細(xì)小二次生a相析出，隨著三重?zé)崽幚頊囟壬�高，網(wǎng)籃組織中二次a相變粗。

關(guān)鍵詞  TC21鈦合金；溫度參數(shù)；超塑性拉伸；三重?zé)崽幚?

 隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金的需求越來越大，對(duì)鈦合金的性能也提出了更高的要求。TC21鈦合金是一種新型高強(qiáng)、高韌、高損傷容限性鈦合金。目前關(guān)于TC21鈦合金的研究，主要集中于相變行為、熱變形參數(shù)和熱處理制度等，而對(duì)其超塑性拉伸以及超塑性拉伸后的熱處理的研究還較少。超塑性拉伸變形后的顯微組織較為粗大，需要對(duì)其適當(dāng)熱處理加以改善，以得到強(qiáng)韌性優(yōu)良的網(wǎng)籃組織。

 TC21鈦合金高強(qiáng)、高韌、高損傷容限性是因?yàn)轱@微組織為網(wǎng)籃組織，而網(wǎng)籃組織是由條狀a相互相交錯(cuò)而使得顯微組織呈現(xiàn)出網(wǎng)籃狀。凌志偉等對(duì)TC21超塑性拉伸后雙重退火對(duì)組織的影響做了研究，結(jié)果表明TC21合金在準(zhǔn)B區(qū)超塑變形后再進(jìn)行a+p相區(qū)雙重退火處理可以得到網(wǎng)籃組織，而TC21鈦合金最佳超塑性變形溫度區(qū)間恰好處在兩相區(qū)。本課題選擇兩相區(qū)的900℃作為超塑性拉伸溫度�；�于前期研究，增加1次低溫時(shí)效過程，在保證高韌性、高損傷容限性的前提下通過三重時(shí)效熱處理來增加強(qiáng)度。通過TC21鈦合金超塑性拉伸后的三重?zé)崽幚硭�獲得的網(wǎng)籃組織對(duì)熱處理參數(shù)中的溫度參數(shù)更為敏感。本課題重點(diǎn)研究三重?zé)崽幚淼臏囟葏��?shù)對(duì)超塑性拉伸后TC21鈦合金顯微組織的影響。

1材料與試驗(yàn)方法

  采用TC21鈦合金軋制后的棒料作為原料，TC21鈦合金的化學(xué)成分見表1。原始組織為40%的a相的等軸組織，見圖1。a相晶粒平均尺寸約為15 Um，利用金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為(950±5)℃。超塑性拉伸試驗(yàn)在SANS-CMT4104型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，橫梁移動(dòng)速度在0. 001～500  mmlmin之間連續(xù)可調(diào)。采用標(biāo)距為15 mm，直徑為5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。通過電阻爐加熱保溫，并在其表面涂上Ti-l防護(hù)液防止高溫變形時(shí)發(fā)生氧化，在900℃變形溫度下進(jìn)行恒應(yīng)變速率法拉伸，應(yīng)變速率保持為3.3×10-4 S-l。試樣拉斷后取出立即水冷，拉斷后的顯微組織見圖2，切取拉伸試樣斷口附近變形較均勻處進(jìn)行三重?zé)崽幚怼Ｔ囼?yàn)方案重點(diǎn)研究三重?zé)崽幚淼臏囟葏��?shù)對(duì)超塑性拉伸后顯微組織的影響。三重?zé)崽幚淼膮��?shù)見表2，熱處理設(shè)備為高溫箱式電阻爐，控溫精度為±3。C，加熱速度為設(shè)備所設(shè)定的5 'C/s。每重?zé)崽幚砬熬�需在試樣表面涂一定量的抗氧化劑�?

  每重?zé)崽幚砗笾苽浣鹣嘣嚇硬⒎謩e進(jìn)行金相拋光，拋光后腐蝕，腐蝕劑為HF、HNO。和H20按體積比1：3:6配制，腐蝕后用吹風(fēng)機(jī)將試樣吹干后采用XJP-6A光學(xué)顯微鏡和Quanta 200掃描電鏡觀察顯微組織。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  一重?zé)崽幚頊囟葘?duì)TC21合金顯微組織的影響

 TC21鈦合金在900℃、應(yīng)變速率為3.3×10-4 S-l條件下進(jìn)行超塑性拉伸，拉伸后的伸長(zhǎng)率達(dá)到323%。拉伸后再分別經(jīng)過940、970、980、990℃固溶th后迅速取出空冷。一重固溶溫度取在兩相區(qū)(940℃)和B相區(qū)(970、980、990℃)，是為了使TC21鈦合金獲得最小的B基體穩(wěn)定性，為隨后的退火過程中分解提供更大的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也是為后續(xù)的熱處理產(chǎn)生滿足強(qiáng)韌性要求的網(wǎng)籃組織提供基礎(chǔ)。

TC21合金經(jīng)過一重?zé)崽幚砗�，大部分a相消失，轉(zhuǎn)變?yōu)锽相。當(dāng)一重?zé)崽幚頊囟葹?40。C時(shí)，a相開始向B相轉(zhuǎn)變，組織出現(xiàn)了新生成的不完整的盧晶界，見圖3a。由于940℃沒有超過B相變溫度(955±5'C)，所以組織中仍存在部分較小的等軸口晶粒。當(dāng)一重?zé)崽幚頊囟葹?70。C時(shí)，剛好超過B相變溫度，處在準(zhǔn)B相區(qū)，a相完成向B相的轉(zhuǎn)變，盧晶粒尺寸不均勻，大小形狀不一，晶界不完整，見圖3b。在完成a相向盧相轉(zhuǎn)變的同時(shí)又不使一重?zé)崽幚砗笏�獲得的盧相晶粒過分長(zhǎng)大，同時(shí)所獲得的B轉(zhuǎn)變組織也為后續(xù)熱處理產(chǎn)生針狀a相提供了初始組織保證。隨著熱處理溫度的升高，B晶粒長(zhǎng)大逐漸趨于穩(wěn)定，整體B晶粒尺寸較大，較均勻地分布在合金中，見圖3c。當(dāng)溫度為990℃時(shí)，由于熱處理溫度相對(duì)較高，試樣在空冷后，在B晶界上和晶粒內(nèi)有明顯細(xì)小片層a相同時(shí)析出，見圖3d。綜合析出的細(xì)小片層a相和B晶粒尺寸這兩方面因素的影響，選擇970℃作為一重?zé)崽幚淼臒崽幚頊囟取?

2.2  二重?zé)崽幚頊囟葘?duì)TC21合金顯微組織的影響

TC21合金二重?zé)崽幚頌?a+p)相區(qū)高溫退火時(shí)效，熱處理溫度取在（a+B）相區(qū)880～930℃。圖4為TC21合金經(jīng)過970℃／1 h．AC -重?zé)崽幚砗�，分別經(jīng)過880、900和930℃二重?zé)崽幚肀��? h空冷后的組織。從圖4中看出，TC21合金經(jīng)過二重?zé)崽幚砀邷貢r(shí)效后在B晶粒上彌散析出了許多細(xì)小針狀次生a相。這是因?yàn)門C21合金經(jīng)一重?zé)崽幚砗蠼M織中存在口亞穩(wěn)態(tài)，為隨后的退火時(shí)效過程析出次生相提供了有利的條件，為TC21合金時(shí)效處理后的強(qiáng)化打下了基礎(chǔ)。

 二重?zé)崽幚頊囟葘?duì)次生a相含量和尺寸大小有影響。隨著二重?zé)崽幚頊囟鹊纳�高，析出的次生a相含量增多，尺寸增大。當(dāng)二重?zé)崽幚頊囟葹?80℃時(shí)，析出的次生a相較為細(xì)小,見圖4a;當(dāng)二重?zé)崽幚頊囟葹?00。C時(shí)，析出次生a相含量增多，表現(xiàn)為a相較為密集；當(dāng)二重?zé)崽幚頊囟忍岣叩?30℃時(shí)，析出的a相尺寸增大，呈現(xiàn)較明顯的針狀，即中間大，兩頭尖，此時(shí)析出的a相已經(jīng)有相互交錯(cuò)的趨勢(shì)，針狀a相的大量交錯(cuò)析出為三重?zé)崽幚砗蟪霈F(xiàn)編織程度較高的網(wǎng)籃組織提供組織基礎(chǔ)，見圖4c。這主要是由于溫度升高，溶質(zhì)原子擴(kuò)散速率增加，尤其是Mo、W高熔點(diǎn)元素存在，有利于次生a相的長(zhǎng)大，而且溫度升高，次生a相獲得的能量大，所以經(jīng)930℃二重?zé)崽幚砗笮纬上鄬?duì)較大的針狀a相。

2.3  三重?zé)崽幚頊囟葘?duì)TC21合金顯微組織的影響

TC21合金的三重?zé)崽幚頌?a+p)相區(qū)低溫時(shí)效，熱處理溫度取在(a+p)相區(qū)560～640℃。圖5為TC21合金經(jīng)一重970℃／1 h，AC、二重930℃／1 h，AC熱處理后，再分別經(jīng)過560、590、640℃保溫4h后空冷的組織。TC21合金次生a相經(jīng)過三重低溫時(shí)效熱處理后，發(fā)生長(zhǎng)大明顯呈針狀，并散亂分布、相互交織在一起，表現(xiàn)為網(wǎng)籃組織。大量交織的針狀a相，增加了相界面，提高了合金的強(qiáng)度和抗蠕變能力，相互交織的針狀a相可以不斷改變裂紋擴(kuò)展方向，使裂紋路徑變曲折、分支．增強(qiáng)斷裂韌度。

從圖5中可以看出，三重?zé)崽幚頊囟葘?duì)其顯微組織形貌影響不大，但通過掃描電鏡放大更大倍數(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，TC21合金經(jīng)三重?zé)崽幚砗螅�顯微組織中針狀a相之間有更為細(xì)小的二次生a相析出，見圖6。當(dāng)三重?zé)崽幚頊囟葹?60℃時(shí)，此時(shí)溫度相對(duì)較低，二次析出a相開始在基體上析出相對(duì)較細(xì)小，見圖6a;隨著溫度升高，二次a相不斷長(zhǎng)大，變粗，當(dāng)溫度升高到590℃時(shí)，二次口相較560℃時(shí)有所長(zhǎng)大，并且所獲得的網(wǎng)籃組織編織程度較三重?zé)崽幚頊囟葹?60、640℃時(shí)更高，見圖6b;當(dāng)溫度升高到640℃時(shí)，溫度相對(duì)較高，二次a相已經(jīng)相對(duì)粗大，呈長(zhǎng)棒狀，見圖6c。較粗大的二次d相雖然會(huì)提高斷裂韌度，但會(huì)導(dǎo)致料強(qiáng)度降低。

3  結(jié)論

 (1) TC21鈦合金經(jīng)過超塑性拉伸后進(jìn)行一重?zé)崽幚砗�，溫度在B相區(qū)，大部分a相轉(zhuǎn)化為B相，空冷后得到單相等軸B相。溫度處在準(zhǔn)B相區(qū)，a相剛完成向B相的轉(zhuǎn)變，B晶粒尺寸還不均勻，大小形狀不一，B晶界不完整。當(dāng)溫度在近B相區(qū)時(shí)，組織出現(xiàn)了新生成不完整的B晶界，組織中仍存在部分等軸較小的a晶粒，所以選擇準(zhǔn)B相區(qū)970℃作為一重?zé)崽幚頊囟取?

 (2) TC21合金經(jīng)過二重?zé)崽幚砀邷貢r(shí)效后在B相上彌散析出了許多細(xì)小針狀次生a相，隨著二重?zé)崽幚頊囟鹊纳�高，析出的次生d相含量增多，尺寸增大。為了獲得相對(duì)較大的針狀a相，選定930。C為二重?zé)崽幚頊囟取?

 (3) TC21合金次生a相經(jīng)過三重低溫時(shí)效熱處理，a相長(zhǎng)大并呈明顯針狀，并散亂分布、相互交織一起，表現(xiàn)為網(wǎng)籃組織。當(dāng)時(shí)效溫度相對(duì)較低，二次析出d相開始在基體上析出相對(duì)較細(xì)小。隨著溫度的升高，二次a相不斷長(zhǎng)大、變粗，當(dāng)溫度過高時(shí)，會(huì)使得二次a相過分長(zhǎng)大，故選定590 0C為三重?zé)崽幚頊囟取?