固溶溫度和二次固溶對航空核電船舶用TA19鈦合金鍛件顯微組織的影響

由于鈦合金具有較高的淬透性和比強度、優異的冷熱成形性能以及良好的可焊接性，可以通過不同的熱處理方法獲得不同的強韌性匹配，目前已廣泛應用于航空、航天、核電、船舶等領域［1-2］。隨著航空技術的不斷發展，高溫鈦合金的開發越來越受到研究者的重視。目前，高溫鈦合金主要基于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金進行成分調配獲得不同的力學性能，美國在該合金系的基礎上開發了Ti-6242S和Ti-1100，英國添加Nb、C元素開發了IMI834，俄羅斯添加W元素開發了BT25Y和BT36，中國通過添加合金元素Nb開發了Ti60［3-4］，以上鈦合金的使用溫度均達到600℃且性能優良。

TA19鈦合金是基于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Si系合金研制的一種近α型高溫鈦合金［5-6］，對應的國外合金牌號為Ti6242S［7-9］，名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si。該合金強度高、韌性高、抗蠕變性能良好，使用溫度可達550℃，主要應用于航空發動機的整體葉盤、葉片和機匣［10-11］，在軍用和民用航空發動機上被廣泛應用。鈦合金的顯微組織對力學性能具有重要影響，可以通過不同的熱處理制度調節α相含量、尺寸以及初生α相與次生α相的比例，改善鈦合金的力學性能［12-13］。國內外學者就熱處理制度與鈦合金顯微組織匹配關系進行了大量研究。

本試驗以TA19某盤類鈦合金鍛件為研究對象，對不同固溶溫度以及二次固溶對TA19合金顯微組織的影響進行了研究，以觀察在不同固溶溫度下和二次固溶后該合金顯微組織的相組成、相比例和形貌，為TA19鈦合金鍛件在生產中的熱處理參數制定提供理論和實踐經驗。

1、試驗材料與方法

試驗采用某原材料廠制造的TA19鈦合金鑄錠，該鑄錠經3次真空自耗電弧(VAＲ)熔煉，在β相變點上進行開坯，并經α+β兩相區多火次鍛造，最終制成規格為φ230mm的棒材，其化學成分見表1，采用淬火金相法測得其相變溫度為1010℃。

該棒材經α+β兩相區預鍛和模鍛成TA19鈦合金盤鍛件，鍛件的有效厚度為100mm左右，鍛態顯微組織如圖1所示。

可以看出，該合金鍛態顯微組織為雙態組織，初生α相含量在55%左右，初生α相形貌多為等軸狀，少量為短棒狀，尺寸為4～30μm。在鍛件上切取2個尺寸大小為20mm×20mm×20mm試樣，分別在995℃和975℃固溶溫度下保溫1h后空冷，研究固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織的影響。再分別對試樣進行二次固溶，固溶制度為975℃×1h，采用水冷的方式，盡可能保留該合金的高溫組織形態，研究二次固溶對TA19鈦合金顯微組織的影響。具體的試驗方案見表2。

采用奧林巴斯GX71金相顯微鏡對鈦合金顯微組織進行觀察，腐蝕劑為HF:HNO₃:H₂O=1:2:50，腐蝕時間為10s，腐蝕溫度為室溫。

2、結果與分析

2.1固溶溫度對合金顯微組織的影響

不同固溶溫度下TA19鈦合金的顯微組織如圖2所示。與圖1鍛態的顯微組織相比，固溶處理后合金的顯微組織形貌和初生α相含量變化較大。經975℃(Tβ-35℃)固溶處理后，鍛態顯微組織中的短棒狀α相發生了溶解，初生α相的含量明顯降低，尺寸略有增加;而經995℃(Tβ-15℃)固溶處理后，鍛態顯微組織中的初生等軸α相大部分發生了溶解，且尺寸略有減小。

經固溶空冷后，合金的顯微組織呈雙態組織，由初生的等軸α相以及固溶空冷過程中析出的次生片狀α相和β基體組成。當固溶溫度為975℃(Tβ－35℃)時，初生α相含量為35%左右，初生α相尺寸為10～40μm，β晶粒尺寸為30～35μm。當固溶溫度為995℃(Tβ-15℃)時，初生α相含量為10%左右，初生α相尺寸為10～30μm，晶界α相明顯析出，勾勒出了β晶粒的輪廓，初生α相沿β相晶界分布，β晶粒長大，尺寸為60～70μm。固溶溫度從975℃提高到995℃時，次生片狀α相變長、變寬，且β晶粒長大。

可見，固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織中的初生等軸α相含量和β晶粒尺寸影響較大。當固溶溫度提高時，初生等軸α相含量顯著減少，尺寸也略有減少，原始β晶粒長大，次生片狀α相變長、變寬。

2.2二次固溶對合金顯微組織的影響

二次固溶后合金的顯微組織如圖3所示，二次固溶與首次固溶溫度相同時，合金中的初生等軸α相尺寸和含量基本不變，但邊緣更加圓滑，等軸α相分布更加彌散，晶界α相變化不明顯。合金中首次固溶空冷時析出的次生片狀α相完全回溶進入β基體，且由于冷卻速度快，次生片狀α相來不及析出，發生了鈦合金馬氏體相變［14］，β相轉變成鈦合金馬氏體α'，組織為初生等軸α相+過飽和固溶體α'。見圖3(a)。

二次固溶溫度低于首次固溶溫度時，合金中的初生等軸α相含量和尺寸也基本不變，晶界α相明顯變寬。首次固溶空冷時析出的次生片狀α相部分回溶進入β基體，由于冷卻速度快，次生片狀α相來不及析出，β相轉變成鈦合金馬氏體α'。次生片狀α相的析出和回溶具有可逆性，首次固溶冷卻過程中在高于二次固溶溫度時析出的次生片狀α相，未

達到回溶溫度，因此保留了下來，并且在二次固溶時長大變寬，組織呈三態組織，即等軸α相+次生條狀α相+過飽和固溶體α'。見圖3(b)。

可見，采用不高于首次固溶的溫度對TA19鈦合金進行二次固溶時，對合金顯微組織中初生等軸α相含量及形貌幾乎無影響;當二次固溶溫度與首次固溶溫度相同時，首次固溶冷卻過程中析出的次生片狀α相完全回溶;當二次固溶溫度低于首次固溶溫度時，合金顯微組織中的次生片狀α相尺寸和晶界α相尺寸變化較大，部分首次固溶冷卻過程中析出的次生片狀α相發生了回溶，而未回溶的次生片狀α相在二次固溶時長大，晶界α相變寬。

3、結論

1)固溶溫度對TA19鈦合金顯微組織中的初生等軸α相含量和β晶粒尺寸影響較大，升高固溶溫度時，初生等軸α相含量顯著減少，原始β晶粒尺寸變大，次生片狀α相變長、變寬，而對初生等軸α相的尺寸影響較小;

2)當二次固溶溫度不高于首次固溶溫度時，對合金顯微組織中的初生等軸α相含量及形貌幾乎無影響;

3)當二次固溶溫度與首次固溶溫度相同時，首次固溶冷卻過程中析出的次生片狀α相完全回溶進β基體;

4)當二次固溶溫度低于首次固溶溫度時，首次固溶冷卻過程中析出的部分次生片狀α相回溶進β基體，而未回溶的次生片狀α相在二次固溶時長大、變寬，晶界α相變寬。

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