TC18鈦合金鍛造-熱處理協(xié)同調(diào)控機(jī)制研究:變形溫度與固溶制度對組織演變及強(qiáng)韌性能的影響規(guī)律

隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，減輕金屬結(jié)構(gòu)材料的重量變得愈發(fā)關(guān)鍵[1-3]。鈦合金因其具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕性能及耐高溫性能，以及無磁性、可焊接等優(yōu)良特性，成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)[4-5]。按照室溫下的晶體結(jié)構(gòu)，鈦合金可分為α型、β型和α+β型。根據(jù)β相的穩(wěn)定性和合金化特點(diǎn)，β型鈦合金可進(jìn)一步細(xì)分為近β型、亞穩(wěn)β型和穩(wěn)定β型鈦合金。近型和亞穩(wěn)β型鈦合金具有優(yōu)異的組織調(diào)控能力，可通過熱處理在較寬范圍內(nèi)調(diào)整力學(xué)性能，被廣泛用作高端結(jié)構(gòu)材料[6-9]。

Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe（Ti-55511）是一種典型的近β型鈦合金，在國內(nèi)其牌號為TC18，具有高強(qiáng)高韌的特點(diǎn)，是高強(qiáng)鈦合金工程化應(yīng)用的主干合金，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的主要承力結(jié)構(gòu)中，如機(jī)身主框架和起落架等[10-12]。Ti-55511合金通常由雙相結(jié)構(gòu)組成，包括六方密排α相和體心立方β相[13]。Ti-55511合金的力學(xué)性能主要由微觀組織決定，包括作為主要強(qiáng)化相α相的尺寸、形態(tài)和分布，而α相的空間結(jié)構(gòu)對稱性較差，通常會(huì)導(dǎo)致合金的延展性較低[14]。合金的變形過程主要依賴于α相和β相中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)α相中形成的變形孿晶也對局部應(yīng)變協(xié)調(diào)起到重要作用[15]。

熱變形和熱處理是鈦合金組織調(diào)控的兩種有效方式[5]。在鑄態(tài)鈦合金中，α相通常呈片層狀，但在熱變形和熱處理過程中，α相可以等軸化并細(xì)化[16]。Ivasishin等人[17]研究了Ti-55511合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)通過細(xì)化α相，極限抗拉強(qiáng)度可超過1500MPa，但塑性急劇下降，斷后伸長率僅為1.73%。Li等人[11]研究了Ti-55511合金在不同變形量下的熱軋力學(xué)行為，結(jié)果顯示，隨著變形量的增加，合金強(qiáng)度提高，但塑性降低。Li等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，晶界處連續(xù)α相向不連續(xù)α相的轉(zhuǎn)變能夠有效提高Ti-55511合金的強(qiáng)度和塑性。

Ahmed等人[10]研究了Ti-55511合金在650℃時(shí)效處理時(shí)的力學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，時(shí)效α相增多，導(dǎo)致合金強(qiáng)度明顯提高但塑性變差。An等人[18]研究了三重?zé)崽幚磉^程中的微觀組織演變，提出最佳熱處理工藝為830℃/0.5h/FC+750℃/2h/AC+450℃/8h/AC，在此條件下合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1132MPa，斷后伸長率為15.9%。三重?zé)崽幚磉^程中的第一步為均勻化處理，第二步旨在調(diào)整α相以提高塑性，最后的時(shí)效工藝則進(jìn)一步析出時(shí)效α相以增強(qiáng)強(qiáng)度。這些研究主要集中在通過熱處理調(diào)控組織形態(tài)以實(shí)現(xiàn)較好的強(qiáng)韌性匹配，卻較少關(guān)注熱變形對組織與性能的影響。

鍛造是生產(chǎn)鈦合金棒材的常用方法[19]。傳統(tǒng)鈦合金的鍛造通常在單相區(qū)進(jìn)行，然后在兩相區(qū)反復(fù)變形實(shí)現(xiàn)α相的細(xì)化[19-21]。本研究重點(diǎn)關(guān)注鍛造變形溫度以及熱處理制度，探究不同變形溫度及熱處理制度對TC18鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，開展相變點(diǎn)以下和以上變形結(jié)合不同溫度固溶處理的4組正交實(shí)驗(yàn)，對比分析其組織性能差異，系統(tǒng)地探討工藝、微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系，以期為TC18鈦合金加工工藝的制定提供依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司生產(chǎn)的TC18鈦合金鑄錠，其相變點(diǎn)約為870℃，化學(xué)成分如表1所示，顯微組織如圖1所示。從圖1a鑄錠的金相照片可以看出，經(jīng)過腐蝕后，晶粒清晰可見，其尺寸可達(dá)毫米級別。從圖1b掃描電鏡（SEM）照片可以明顯觀察到三叉晶界，晶界附近有大量的魏氏體片層α相；從圖1c掃描電鏡照片可以觀察到晶內(nèi)大量的細(xì)針狀α相，形成類似網(wǎng)籃組織的結(jié)構(gòu)。從圖1d透射電鏡（TEM）照片可以觀察到大量的細(xì)針狀α片層，其選區(qū)電子衍射顯示基體β相和針狀α相呈現(xiàn)出經(jīng)典的Burgers位向關(guān)系：{110}β//(0001)α；[1-11]β//{12-10}α。

TC18鈦合金鑄錠進(jìn)行開坯鍛造，加工成尺寸為φ200mm×500mm棒材，然后分別在兩相區(qū)（830℃）和單相區(qū)（900℃）進(jìn)行鍛造，拔長變形量約為20%，得到熱變形態(tài)的初始樣品，再鋸切成φ180mm×50mm的成品試樣。分別在兩相區(qū)和單相區(qū)對試樣進(jìn)行熱處理，具體工藝為：①830℃/2h爐冷至750℃/2h/AC+610℃/6h/AC；②900℃/2h爐冷至750℃/2h/AC+610℃/6h/AC。為探究不同鍛造變形溫度和熱處理工藝對TC18鈦合金組織和力學(xué)性能的影響，對不同工藝路線對應(yīng)的試樣進(jìn)行編號，如表2所示。

采用ZwickZ330萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣為圓棒狀，中間標(biāo)距的直徑為5mm，長度為24mm。采用JBW-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按照GB/T229—2020標(biāo)準(zhǔn)要求制備U型缺口試樣。為保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，每個(gè)制度測3個(gè)試樣。采用KMX-2000D光學(xué)顯微鏡（OM）、FEIHelios NanolabG3UC掃描電子顯微鏡（SEM）和TitanG2Cs-corrected透射電鏡（TEM）表征試樣的組織結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)果與討論

2.1力學(xué)性能

圖2是TC18鈦合金經(jīng)過不同溫度鍛造變形和熱處理后的室溫拉伸和沖擊性能。從圖2a可以看出，4#試樣的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到（1248±8.4）MPa，2#、3#試樣的抗拉強(qiáng)度相近，分別為（1160±7.6）MPa和（1155±7.3）MPa，1#試樣的抗拉強(qiáng)度最低，為（1093±8.3）MPa。屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗拉強(qiáng)度近似，4#試樣的屈服強(qiáng)度最高，達(dá)到（1154±7.1）MPa，2#、3#試樣的屈服強(qiáng)度相近，分別為（1073±4.7）MPa和（1067±6.3）MPa，1#試樣的屈服強(qiáng)度最低，為（1037±5.2）MPa。從圖2b可以看出，1#試樣的塑性最好，斷后伸長率達(dá)到16%，2#、3#試樣的斷后伸長率相近，分別為10%、8.5%，4#試樣的斷后伸長率最低，為4%。斷面收縮率的變化規(guī)律和斷后伸長率規(guī)律類似，1#~4#試樣的斷面收縮率分別為45%、20%、13%和6%。從圖2c可以看出，兩相區(qū)熱處理后，試樣的沖擊韌性較好，1#、3#試樣的沖擊韌性分別為（32.9±2.1）J/cm²和（36.7±3.2）J/cm²。單相區(qū)熱處理后，試樣的沖擊韌性較差，2#、4#試樣的沖擊韌性分別為（29.5±1.9）J/cm²和（25.9±2.7）J/cm²。

2.2微觀組織

圖3是TC18鈦合金經(jīng)不同溫度鍛造變形和熱處理后的金相照片。從圖3a、3b可以看出，1#試樣在放

大倍數(shù)為50倍時(shí)，無法觀察到明顯的晶界，500倍時(shí)呈現(xiàn)出典型的雙態(tài)組織，α相球化程度良好，等軸α相的尺寸為3~5μm，占比約為25.8%。從圖3c、3d可以看出，2#試樣在放大倍數(shù)為50倍時(shí)，可觀察到完整連續(xù)的晶界，存在較多的晶界α片層，故晶界α相含量較大，由放大500倍的金相照片可知，粗大的α片層厚度可達(dá)2μm，因而合金塑性較差。從圖3e、3f可以看出，3#試樣在放大倍數(shù)為50倍時(shí)，雖然存在完整連續(xù)的晶界，但并不明顯，晶界附近偶爾能觀察到α片層，500倍的金相照片顯示初生α相為短棒狀，長徑比約為6.2。從圖3g、3h可以看出，4#試樣的組織與2#試樣類似，有較多晶界α片層和連續(xù)的晶界，因而合金的塑性也較差。

圖4為TC18鈦合金經(jīng)不同溫度鍛造變形和熱處理后的SEM照片。從圖4a可以看出，1#試樣等軸α相和時(shí)效產(chǎn)生的大量針狀α相彌散分布在β轉(zhuǎn)變組織中。從圖4b可以看出，2#試樣呈現(xiàn)出明顯的魏氏組織，初生α相的片層厚度約為2μm，長徑比約為9.6。從圖4c可以看出，3#試樣初生α相呈短棒狀，為典型的網(wǎng)籃組織。從圖4d可以看出，4#試樣組織與2#試樣高度類似，其初生α相為片層狀，長徑比約為10.54。

1#~4#試樣組織中均有時(shí)效析出的α片層，尺寸在納米級別，有較大的強(qiáng)化作用。

2.3斷口分析與變形機(jī)制

圖5為經(jīng)不同溫度鍛造變形和熱處理后的TC18鈦合金拉伸試樣的斷口形貌。從圖5a、5b、5e、5f可以看出，1#和3#試樣的拉伸斷口存在大量的球狀韌窩，解理臺(tái)階較少，表明試樣發(fā)生了明顯的塑性斷裂。

該斷裂行為是一種以微孔聚集為主、沿晶斷裂機(jī)制為輔的混合斷裂，呈現(xiàn)出典型的塑性斷裂特征，表明1#和3#試樣具有較高的韌性。從圖5c、5d、5g、5h可以看出，2#和4#試樣的拉伸斷口上除了韌窩外，還存在解理臺(tái)階，呈現(xiàn)出韌脆混合斷裂的特征。

圖6是1#和3#試樣拉伸變形后的TEM照片。從圖6a可以看出，1#試樣拉伸變形后，等軸初生α相內(nèi)存在平面滑移的位錯(cuò)，其電子衍射結(jié)果顯示這些位錯(cuò)在{101-0}柱面和{101-1}錐面滑移。對于鈦合金，柱面{101-0}a位錯(cuò)在任何條件下都是最容易激活的滑移系，因?yàn)槠渑R界剪切應(yīng)力最低。但柱面a位錯(cuò)只能協(xié)調(diào)a方向上的變形，當(dāng)需要協(xié)調(diào)c方向上的變形時(shí)，{101-1}錐面c+a位錯(cuò)被激活。從圖6b可以看出，3#試樣拉伸變形后，初生α相內(nèi)部僅有一個(gè)方向的位錯(cuò)滑移，電子衍射顯示該滑移方向?yàn)閧101-0}柱面滑移。由于1#試樣的組織以等軸狀初生α相為主，而3#試樣組織以短棒狀初生α相為主，等軸狀初生α相由于長徑比小，可以激活多個(gè)滑移系的位錯(cuò)，因而在塑性變形時(shí)能夠協(xié)調(diào)多個(gè)方向的變形，這也就解釋了1#試樣的斷后伸長率為16%，而3#試樣的斷后伸長率僅有8.5%。

2.4微觀組織與力學(xué)性能關(guān)系

根據(jù)組織觀察與力學(xué)性能測試結(jié)果，TC18鈦合金經(jīng)不同溫度鍛造變形和熱處理后，得到的組織和性能均不同。經(jīng)兩相區(qū)鍛造和兩相區(qū)熱處理后的1#試樣為雙態(tài)組織，表現(xiàn)為3~5μm的等軸初生α相均勻分布在β基體中。該組織狀態(tài)下TC18鈦合金的斷后伸長率較大，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性略低，這是因?yàn)樽冃魏蟪跎料嗟牡容S化程度高，協(xié)調(diào)變形能力較強(qiáng)，在變形中能夠激發(fā)多個(gè)柱面a和c+a位錯(cuò)等滑移系，因而塑性好，但其抵抗變形的能力相對較低，故拉伸斷口呈現(xiàn)出大量韌窩。經(jīng)單相區(qū)鍛造和兩相區(qū)熱處理后的3#試樣為網(wǎng)籃組織，初生α相呈現(xiàn)短棒狀，軸徑比較小，初生α相以網(wǎng)籃狀分布在β基體中，因而呈現(xiàn)出較好的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)槎贪籀料嗟钠瑢雍穸刃∮诘容Sα相的直徑，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力較強(qiáng)。不管是單相區(qū)還是兩相區(qū)鍛造的2#、4#試樣，經(jīng)單相區(qū)熱處理后，得到的組織均為典型的魏氏組織，晶界附近存在較厚的片層，α相的長寬比相對較大，呈現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和較低的斷后伸長率，沖擊韌性也較低，拉伸斷口呈現(xiàn)出混合斷裂特征，包括韌窩和解理臺(tái)階。綜合考量，TC18鈦合金經(jīng)單相區(qū)鍛造和兩相區(qū)熱處理后，綜合性能最優(yōu)。

3、結(jié)論

(1)TC18鈦合金經(jīng)兩相區(qū)鍛造和兩相區(qū)熱處理后，得到典型的雙態(tài)組織，其斷后伸長率較高，強(qiáng)度和沖擊韌性相對較低。

(2)TC18鈦合金經(jīng)單相區(qū)鍛造和兩相區(qū)熱處理后，得到典型的網(wǎng)籃組織，其初生α相呈短棒狀，長徑比較小，具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性，兼具良好的塑性，綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

(3)TC18鈦合金不論是在兩相區(qū)還是在單相區(qū)鍛造，經(jīng)過單相區(qū)熱處理后均得到魏氏組織，α相的長徑比較大。

(4)TC18鈦合金試樣經(jīng)兩相區(qū)熱處理后，拉伸斷口呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征；經(jīng)單相區(qū)熱處理后，拉伸斷口存在韌窩和解理臺(tái)階形貌，呈現(xiàn)出混合斷裂特征。

(5)TC18鈦合金組織中的等軸α相在變形時(shí)能夠激活多個(gè)滑移系，合金呈現(xiàn)出較好的塑性，而片層和短棒狀α相只能激活單一的滑移系，因而合金的塑性較差。

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