鍛造工藝和時效處理對TC10鈦合金組織和性能的影響

引言

TC10鈦合金名義成分為 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu，是在 Ti-6Al-4V 合金基礎上添加較多 β 相穩定元素 V 及其他調節元素而形成的一種典型α + β 雙相鈦合金［1 － 3］。由于其優異的力學性能、耐熱性能(可在 400 ℃以下長期使用)、較好的抗氧化性、耐蝕性和焊接性能，被廣泛應用于飛機機身、火箭發動機、核反應堆部件以及石油勘探用油井管等部件［4 － 5］。與 Ti-6Al-4V 合金相比，TC10 鈦合金增加的 β 相穩定元素極大地改善了其熱處理特性，退火態強度超過了 Ti-6Al-4V 合金，同時也可通過固溶時效熱處理達到更高的強度。由于 α + β 鈦合金的性能與 α 相和 β 相的相對含量及形貌密切相關，而棒材的組織則與鍛造工藝和熱處理制度密不可分［6 － 9］。

因此，為得到綜合性能良好匹配的TC10鈦合金棒材，研究了熱變形工藝和時效溫度對組織和力學性能的影響規律，以期為石油勘探用油井管等提供優質坯料。

1、實驗

實驗材料采用寶鋼特鋼生產的φ508 mmTC10鈦合金鑄錠。鑄錠經過 2 次真空自耗熔煉，其化學成分如表 1 所示。通過金相法測得合金相變點為 930 ℃。

TC10鈦合金鑄錠經過 A、B 2 種不同鍛造工藝加工成 φ130 mm 棒材。其中，工藝 A: 鑄錠→單相區 2 次墩拔→相變點附近 2 次墩拔→兩相區 2 次換向墩拔→兩相區 2 次拔長→徑鍛機鍛至 φ130 mm;工藝 B: 鑄錠→單相區 2 次墩拔→相變點附近 2 次墩拔→兩相區 2 次單向墩拔→兩相區 2 次拔長→徑鍛機鍛至 130 mm。分別從 2 種工藝獲得的棒材端部沿橫向和縱向截取金相試樣和拉伸試樣，采用蔡司 AXIOPLAN2 金 相 顯 微 鏡 觀 察 顯 微 組 織，采 用Zwicke Z-150 萬能試驗機測試拉伸性能。對比 2 種工藝制備的棒材的力學性能，選取性能較優的棒材在馬弗爐中進行 875 ℃ × 2 h /WC 固溶處理，然后分別在 510、550、560、600 ℃進行保溫 6 h 的時效處理。

從時效處理后的棒材上截取金相試樣和拉伸試樣，進行組織觀察和拉伸性能測試。

2、結果與分析

圖 1 為 2 種不同鍛造工藝得到的棒材鍛態金相照片。從圖中可以看出，鑄錠的原始粗晶組織得到了很好的破碎，原始晶界不復存在，棒材組織由初生 α 相、α'相和殘余 β 相組成，屬于典型的 α + β 雙態組織。采用工藝 A 生產的棒材組織以等軸初生 α相為主，并且均勻性較好，且橫向組織與縱向組織差別不大，只是縱向組織中初生 α 相含量稍多，這跟照片拍攝視場有關。而工藝 B 生產的棒材組織中條狀α 相較多，橫向和縱向組織差別較大，縱向組織初生條狀 α 相和次生條狀 α 相具有明顯的方向性。

TC10鈦合金棒材鍛態室溫拉伸性能如表 2 所示。可以看出，采用工藝 A 生產的棒材縱向性能和橫向性能差別不大，說明棒材的各向異性較小。采用工藝 B 生產的棒材縱向與橫向拉伸性能差別較大，縱向性能明顯優于橫向性能，這主要是因為工藝 B得到的棒材的組織均勻性差，橫向組織與縱向組織差別較大。工藝 B 得到的棒材組織中 α 相以條狀為主，條狀 α 相對強度貢獻較大，但不利于塑性性能。圖 2 為工藝 A 得到的TC10鈦合金棒材在 875 ℃固溶處理后再經不同溫度時效處理后的金相照片。

固溶處理會使部分初生 α 相溶解轉變為 β 相，因此初生 α 相數量(見圖 2) 與鍛態組織(見圖 1) 相比明顯減少。固溶過程中形成的亞穩定 β 相在時效時會轉變成次生 α 相，時效溫度較低時，亞穩定 β 相轉變為細小彌散的次生 α 相。隨著時效溫度的升高，次生 α 相逐漸增多并聚集長大，當溫度達到 560 ℃時，次生 α 相數量達到最大，且形狀呈細小的短棒狀，如圖 2c 所示。當時效溫度進一步升高時，次生 α相不斷長大變粗，部分析出的 α 相已與初生 α 聚集在一起(圖 2d)，強化作用減弱。這點與 TC4 鈦合金的組織變化相似［9］，但由于TC10鈦合金相比 TC4 鈦合金的 β 穩定元素較多，其固溶時效組織以 β 相為主。

時效溫度對TC10鈦合金棒材力學性能的影響如圖 3 所示。從圖中可以看出，棒材的抗拉強度隨時效溫度的升高先迅速降低再逐漸升高，當時效溫度達到 560 ℃時抗拉強度達到最小值。延伸率和斷面收縮率隨時效溫度的變化是先升高后降低，在 560 ℃時延伸率和斷面收縮率達到最高值。時效溫度較低時，組織中析出的彌散細小 α 相和 β 相混合物對基體具有很好的強化作用，因此抗拉強度較高。但隨著時效溫度的提高，析出相逐漸長大，強化作用逐漸減弱，在 560 ℃ 時強度達到最低，之后抗拉強度隨時效溫度升高而升高，這是因為析出的彌散細小的 α 相進一步長大并與初生 α 相發生聚集，有利于強度的提高。而延伸率和斷面收縮率的變化規律與抗拉強度的變化規律正好相反。強度和塑性是一對對立的指標，當時效溫度較低時，析出的細小彌散α 相和 β 相混合物分布在晶界，阻礙了位錯滑移，塑性較低。隨著時效溫度升高，細小彌散的析出相進一步長大，形成新的晶界，晶粒進一步均勻化，塑性提高，在 560 ℃ 時塑性最佳。當時效溫度超過560 ℃ 時，組織進一步粗化，塑性變差。時效溫度為 550 ℃時棒材可以獲得良好的綜合力學性能。

3、結論

(1)采用工藝 A 獲得的TC10鈦合金棒材組織均勻性好，且性能的各向異性小; 工藝 B 獲得的棒材組織均勻性差，且性能的各向異性大。

(2)TC10 鈦合金棒材的抗拉強度隨時效溫度升高先降低后升高，而塑性則隨時效溫度升高先升高后降低。

(3)TC10 鈦合金棒材經 875 ℃ ×2 h/WC +550 ℃× 6 h /AC 熱處理可以獲得良好的綜合力學性能。

參考文獻

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