不同熱變形溫度下TC18鈦合金棒材微觀缺陷與力學(xué)響應(yīng)特性研究，對比分析多工況鍛造后合金組織形貌與力學(xué)指標(biāo)差異，明確兼顧高強(qiáng)高韌的最優(yōu)鍛造溫度區(qū)間，為工業(yè)生產(chǎn)提供理論支撐

TC18鈦合金名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，材料具有高強(qiáng)度、高韌性和較好的淬透性等特點(diǎn)，是一種綜合性能良好的近β型鈦合金,常被用于飛機(jī)大型鍛件、操作系統(tǒng)、起落架及高負(fù)載承力航空結(jié)構(gòu)件，在俄羅斯伊爾76等飛機(jī)上已被大量應(yīng)用[1]。隨著我國航空航天材料領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，航空航天器對于其結(jié)構(gòu)件性能要求越來越高，尤其在高溫環(huán)境下鈦合金材料的性能穩(wěn)定提升是航空航天技術(shù)發(fā)展的突破口。TC18鈦合金耐高溫、抗腐蝕及高強(qiáng)度等優(yōu)異性能在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。

近年來，陳素明等研究了退火工藝、等軸化熱處理工藝對TC18鈦合金組織及性能的調(diào)控，通過熱處理調(diào)整TC18鈦合金鍛件顯微組織中初生α相含量，以實(shí)現(xiàn)材料性能調(diào)控[2-4]。張永強(qiáng)等研究了不同模鍛溫度和熱處理對TC18鈦合金模鍛件顯微組織和力學(xué)性能的影響[5,6]。但未見對自由鍛造工藝對TC18棒材顯微組織及性能調(diào)控的相關(guān)研究。本文研究了在T（α-β）附近不同鍛造溫度對TC18鈦合金棒材顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，為工業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用原材料為φ700mmTC18鈦合金鑄錠，鑄錠經(jīng)三次真空自耗熔煉而成，鑄錠化學(xué)成分見表1。鑄錠經(jīng)開坯鍛造并在兩相區(qū)進(jìn)行多火次鐓拔，充分破碎鑄態(tài)組織，獲得顯微組織由等軸初生α相+極少量的長條α相+β轉(zhuǎn)組成的TC18鈦合金棒材，棒材規(guī)格為φ300mm，采用金相法測得實(shí)驗(yàn)用棒材相變點(diǎn)T（α-β）為865℃。

表 1 TC18 化學(xué)成分表（wt%）

1.2試驗(yàn)方法

以φ300mm棒材為本次研究的實(shí)驗(yàn)材料，在20MN快鍛機(jī)組上采用摔圓模旋轉(zhuǎn)步進(jìn)壓下的方式鍛壓成型，通過均勻壓下實(shí)現(xiàn)鍛造過程，棒材整體變形量控制在25%，在棒材頭部取樣進(jìn)行弦向和縱向力學(xué)性能測試，并在截面1/2R處取棒材顯微組織。坯料分別采用880℃、870℃、865℃和860℃四種加熱溫度（見表2），鍛造變形后對棒材進(jìn)行復(fù)雜退火處理，熱處理制度為：

840℃/3h.FC+750℃/4h.AC+600℃/6h.AC

表 2 鍛造及熱處理試驗(yàn)方案

熱處理后取樣檢測棒材力學(xué)性能及顯微組織。

2、結(jié)果與討論

2.1溫度對棒材低倍組織的影響

圖1所示為不同鍛造工藝方案TC18鈦合金棒材的低倍組織。結(jié)果顯示，四種變形溫度下棒材低倍組織均為半清晰晶，這主要是由于合金由單相區(qū)變形至鍛造結(jié)束鑄態(tài)組織不能夠充分破碎，在成品棒材上呈現(xiàn)出均勻的半清晰晶。另外，可以看出低倍組織上有條紋狀組織由中心向邊部呈放射狀，這鍛造方式關(guān)系密切，棒材經(jīng)自由鍛造后部分組織不均勻受力，最后低倍片上反映出條紋狀組織。

2.2溫度對顯微組織的影響

圖2為不同溫度鍛造后經(jīng)雙重退火熱處理的顯微組織。

圖2a為880℃相變點(diǎn)以上單相區(qū)變形的組織，圖2b、2c分別為870℃、865℃鍛造并雙重退火處理后的顯微組織，圖2d為860℃兩相區(qū)變形并經(jīng)雙重退火熱處理的顯微組織。圖2a所示為單相區(qū)880℃變形時(shí)的顯微組織，由β基體+層片狀初生α相組成，晶粒內(nèi)部初生α相互交織，并可見一定程度的不均勻，α叢排列在晶界上并沿一定方向生長，視場內(nèi)可見相對平直且連續(xù)的晶界α。圖2b、2c中層片狀α相尺寸減小，分布密集，具有一定的均勻性，可見不連續(xù)的晶界α，且晶界發(fā)生扭折。當(dāng)溫度降至860℃時(shí)，未見晶界α，且層片狀α相長度減小，未見明顯交織，且晶粒內(nèi)部零星可見等軸狀α相分布。比較分析在單相區(qū)和兩相區(qū)下鍛造變形時(shí)的顯微組織（見圖2a、圖2d），單相區(qū)加熱后，坯料組織以β大晶粒為主，在進(jìn)行塑性變形時(shí)，原始β晶粒隨金屬流動(dòng)被壓扁拉長，由于變形相對均勻且變形速率較小，由坯料加熱提供再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，空冷時(shí)，會(huì)沿原始β晶界和晶內(nèi)析出長條狀α相。坯料在兩相區(qū)加熱后，α相與β相同時(shí)變形，初生α相在變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，其形態(tài)為等軸α和長條狀α，β相經(jīng)過變形后，首先在相界面及晶界處析出次生α，并在隨后的冷卻過程中長大，形成片狀和細(xì)條狀次生α。

從圖2中顯微組織還能看出，在兩相區(qū)加熱變形后顯微組織一致性比單相區(qū)加熱變形后顯微組織均勻，并存在少量等軸α，且隨著加熱溫度的降低，等軸α含量逐漸增多。

2.3溫度對室溫力學(xué)性能影響

不同變形溫度對TC18合金力學(xué)性能影響如表3所示。

表 3 不同變形溫度對室溫力學(xué)性能影響

結(jié)果表明，隨著變形溫度的降低，棒材縱向抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率呈先升后降的趨勢，在865℃時(shí)棒材縱向、橫向室溫拉伸性能最好，分別為縱向室溫拉伸強(qiáng)度1172MPa、縱向室溫屈服強(qiáng)度1095MPa，縱向延伸率14.5%，縱向斷面收縮率38%，橫向室溫抗拉強(qiáng)度1179MPa，橫向室溫屈服強(qiáng)度1094MPa，橫向延伸率11%，橫向斷面收縮率21%。組織決定性能，隨變形溫度降至兩相區(qū)時(shí)晶內(nèi)出現(xiàn)等軸α，晶粒內(nèi)部分布的細(xì)小片狀α相強(qiáng)化作用降低，試樣抗拉強(qiáng)度降低，塑性增加[7]。在單相區(qū)變形后，棒材抗拉強(qiáng)度沒有明顯升高，但材料塑性明顯低于兩相區(qū)變形時(shí)的塑性，這主要是存在連續(xù)平直的晶界α。

從表3中還可以看出，斷裂韌性隨變形溫度降低而逐漸降低，其性能與顯微組織組成聯(lián)系密切，在單相區(qū)加熱，顯微組織中晶內(nèi)α相尺寸不僅小而且排列緊密，內(nèi)部呈彌散狀分布，其中交織的片狀α相增加相界面，使得合金強(qiáng)度與抗蠕變性能得以提高，在裂紋擴(kuò)展時(shí)α集束和片狀α存在不同位向，受到應(yīng)力時(shí)，從而使裂紋擴(kuò)展的路徑與方向較多，斷裂韌性較高。其次網(wǎng)籃組織中斷裂特征是呈延性穿晶和沿晶共存的特性，材料內(nèi)部的斷裂特性使晶粒變形耗費(fèi)更多的能量，因而這兩種特性起協(xié)同作用的阻滯機(jī)理主導(dǎo)了網(wǎng)籃組織的韌度[8]。

另有研究表明網(wǎng)籃組織的斷裂韌性比雙態(tài)組織高，原始β晶粒長大、晶界α尺寸變形和晶內(nèi)較多的片狀α相形成都會(huì)提高斷裂韌性，在兩相區(qū)變形時(shí)，顯微組織中等軸α相逐漸增多，α相緊密程度減小，彌散強(qiáng)化作用較弱，另外位錯(cuò)線分布均勻、滑移帶間距減小，斷裂韌性減小[9]。

3、結(jié)論

（1）在T（α-β）-5℃至T（α-β）+15℃溫度范圍內(nèi)加熱鍛造，可以得到網(wǎng)籃組織的TC18鈦合金棒材。當(dāng)變形溫度高于相變點(diǎn)時(shí)，顯微組織中存在斷續(xù)或連續(xù)的晶界α，晶內(nèi)α相尺寸不均勻。當(dāng)變形溫度低于相變點(diǎn)時(shí)，顯微組織中存在等軸α和細(xì)小的次生α，且相尺寸相對均勻。

（2）隨著變形溫度降低，棒材顯微組織形貌改變，晶界α消失，棒材斷裂韌性降低。當(dāng)變形溫度在865℃時(shí)，棒材縱向、橫向室溫力學(xué)性能強(qiáng)塑性匹配最優(yōu)。

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（注，原文標(biāo)題：變形溫度對TC18鈦合金棒材組織及性能影響_郝璟珂）