TC18是俄羅斯(si)全俄航空材料研究(jiu)院于(yu)20世紀(ji)60年代開發(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)一種高強鈦(tai)合(he)(he)金(jin)，因其具(ju)備(bei)比強度(du)(du)(du)高、塑形優良、抗疲勞性(xing)(xing)和(he)(he)熱(re)處理(li)(li)(li)淬(cui)透(tou)性(xing)(xing)好等(deng)(deng)優點，而廣泛應用于(yu)航空航天領域［1－5］。TC18合(he)(he)金(jin)通常(chang)用于(yu)制造大截面的(de)(de)(de)(de)(de)鍛(duan)件(jian)和(he)(he)模鍛(duan)件(jian)，如(ru)俄制伊爾－76、86、96、安124和(he)(he)圖204等(deng)(deng)大型軍用飛機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)體、起(qi)落架部件(jian)、發(fa)動(dong)機(ji)風(feng)扇盤和(he)(he)葉(xie)片等(deng)(deng)結構(gou)件(jian)。鈦(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處理(li)(li)(li)溫度(du)(du)(du)對(dui)(dui)其服役性(xing)(xing)能有著重要的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)［6－9］，尤其是固溶溫度(du)(du)(du)。鈦(tai)合(he)(he)金(jin)作為(wei)一種重要的(de)(de)(de)(de)(de)戰(zhan)略金(jin)屬，現有的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)熱(re)處理(li)(li)(li)標準(zhun)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)固溶溫度(du)(du)(du)范圍(720～830℃)太寬，實際(ji)生(sheng)產(chan)中(zhong)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)處理(li)(li)(li)性(xing)(xing)能波動(dong)很(hen)大，直(zhi)接限制了(le)高端(duan)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)產(chan)品的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能。對(dui)(dui)于(yu)TC18熱(re)處理(li)(li)(li)工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)在(zai)(zai)各高校、科研機(ji)構(gou)和(he)(he)企(qi)業內廣泛開展(zhan)，并取(qu)得了(le)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)展(zhan)。部分企(qi)業根據(ju)自身生(sheng)產(chan)實際(ji)，在(zai)(zai)企(qi)業標準(zhun)中(zhong)也(ye)做(zuo)出(chu)了(le)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)改變(bian)。本(ben)文(wen)主要研究(jiu)單(dan)一固溶溫度(du)(du)(du)對(dui)(dui)TC18鈦(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)與力(li)學性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，為(wei)實際(ji)生(sheng)產(chan)中(zhong)鈦(tai)合(he)(he)金(jin)熱(re)處理(li)(li)(li)工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)改進(jin)奠(dian)定(ding)理(li)(li)(li)論(lun)與實踐基礎。

1、試驗材料與方法

1.1試驗材料

本試驗(yan)采用(yong)由寶鈦集(ji)團提(ti)供(gong)的TC18鈦合(he)金(jin)，名義成分為Ti-5%Al-5%Mo-5%V-1%Cr-1%Fe，具體成分如表1所示，該材料(liao)的入(ru)庫狀態為完全退火。

為了研究不(bu)同(tong)固(gu)溶溫度(du)(du)對TC18鈦合(he)(he)金組織與性能的影響，參考GJB3763—2014《鈦及鈦合(he)(he)金熱處理》、HB/Z137—1988《鈦合(he)(he)金熱處理工藝說(shuo)明書》和AMS2801A《鈦合(he)(he)金零件的熱處理》等標準，制(zhi)定的固(gu)溶熱處理分組見表2，溫度(du)(du)范圍780～900℃，溫度(du)(du)梯度(du)(du)為20℃，共7組。

1.2試樣制備

按(an)照GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢(jian)驗方法(fa)(fa)(fa)》、GB/T4342—1991《金屬顯微維氏硬(ying)度試(shi)(shi)驗方法(fa)(fa)(fa)》、GB/T228—2002《金屬材(cai)(cai)料室溫拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)驗方法(fa)(fa)(fa)》和GB/T229—2007《金屬材(cai)(cai)料夏比擺錘沖(chong)擊試(shi)(shi)驗方法(fa)(fa)(fa)》等標準，采用(yong)線(xian)切割方法(fa)(fa)(fa)加工出標準的金相試(shi)(shi)樣(yang)、硬(ying)度試(shi)(shi)樣(yang)、拉(la)伸(shen)試(shi)(shi)樣(yang)和沖(chong)擊試(shi)(shi)樣(yang)。

1.3性能表征

采用(yong)OlympusGX71科(ke)研級倒(dao)置(zhi)式金(jin)相(xiang)顯(xian)微鏡(jing)(jing)進(jin)(jin)行(xing)金(jin)相(xiang)試驗(yan);采用(yong)AMH43全自(zi)動顯(xian)微硬(ying)度(du)儀進(jin)(jin)行(xing)顯(xian)微硬(ying)度(du)測(ce)量;采用(yong)Instron5569電子(zi)萬能材(cai)料試驗(yan)機進(jin)(jin)行(xing)拉伸(shen)試驗(yan);采用(yong)CX-8071A沖擊(ji)試驗(yan)機進(jin)(jin)行(xing)沖擊(ji)韌度(du)試驗(yan);采用(yong)S-4700冷場發射(she)掃(sao)描電子(zi)顯(xian)微鏡(jing)(jing)進(jin)(jin)行(xing)斷口掃(sao)描。

2、試驗結果與分析

2.1微觀組(zu)織觀察試驗

試驗用TC18鈦(tai)合金材料(liao)經歷了3次真空自耗電弧熔煉(lian)，當其(qi)加熱(re)(re)至β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區時，采用鍛壓機進行80%以(yi)上(shang)變形量的(de)(de)開坯，并(bing)在其(qi)α+β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)區反(fan)復鍛打(da)，使其(qi)晶粒充(chong)分(fen)粉碎，最終鍛造成試驗用棒材，由于每次加熱(re)(re)鍛打(da)后都(dou)采用水冷方式，因此試驗用棒材的(de)(de)組織細小均勻。本試驗TC18材料(liao)的(de)(de)熱(re)(re)處(chu)理狀態是雙重(zhong)退火(830℃×2h爐(lu)冷到(dao)750℃×2h空冷，然后600℃保溫8h后空冷)，顯(xian)微組織如圖1所示。白色初生α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)呈短棒狀沿(yan)晶界析出，晶粒主體為白色的(de)(de)原始態α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)，亞穩態β相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)從(cong)原始的(de)(de)α相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)中(zhong)均勻析出。

將試樣逐一放入馬弗爐中加熱(re)，按照表2中固溶(rong)處理(li)溫(wen)度設定為(wei)780～900℃，溫(wen)度梯度為(wei)20℃，并在(zai)600℃真空(kong)狀(zhuang)態下進行(xing)(xing)6h的時(shi)效處理(li)，再對各(ge)組(zu)得到的TC18鈦(tai)合(he)金試樣進行(xing)(xing)微觀(guan)金相(xiang)(xiang)組(zu)織分(fen)(fen)析，觀(guan)察(cha)結(jie)果如圖2所示。從圖2(a)和2(b)中可以看出(chu)，當溫(wen)度低于860℃時(shi)，隨著固溶(rong)溫(wen)度的升高，等軸的初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)含量(liang)逐漸(jian)減(jian)少(shao)，尺(chi)寸減(jian)小，β相(xiang)(xiang)中彌散(san)分(fen)(fen)布(bu)的次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)尺(chi)寸迅速(su)長大(da)。從圖2(c)和2(d)可以看出(chu)，當固溶(rong)溫(wen)度達(da)到860℃以上時(shi)，初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)幾乎(hu)全部轉(zhuan)化成了β相(xiang)(xiang)。這是因為(wei)TC18鈦(tai)合(he)金在(zai)860～870℃發生(sheng)(sheng)了α相(xiang)(xiang)→β相(xiang)(xiang)轉(zhuan)變;同時(shi)晶粒迅速(su)長大(da)交錯排(pai)列，條狀(zhuang)次生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)在(zai)β晶粒周圍(wei)呈網(wang)籃狀(zhuang)結(jie)構分(fen)(fen)布(bu)。

2.2沖擊試驗

根據(ju)國家標準GB/T229—2007《金(jin)屬材料夏比擺錘(chui)沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)試(shi)驗(yan)方(fang)法》加(jia)工出如(ru)圖(tu)3所(suo)示(shi)的(de)(de)標準沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)試(shi)件，并對不同固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)處理的(de)(de)標準試(shi)樣進(jin)行夏比沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)試(shi)驗(yan)。沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)試(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)如(ru)表(biao)3所(suo)示(shi)，沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)曲線如(ru)圖(tu)4所(suo)示(shi)。通過試(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)可以看出:隨著固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)，沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)韌度(du)(du)值(zhi)先升(sheng)高(gao)(gao)后下降，固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)860℃時沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)韌度(du)(du)數(shu)值(zhi)最大(49.6J/cm2)，隨著固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)的(de)(de)繼續升(sheng)高(gao)(gao)，沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)韌性數(shu)值(zhi)急劇(ju)下降。這是(shi)因為隨著固(gu)(gu)(gu)溶(rong)溫度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)，α相→β相轉變率(lv)逐漸加(jia)大，β相比例的(de)(de)升(sheng)高(gao)(gao)有利于提高(gao)(gao)鈦合(he)金(jin)材料的(de)(de)沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)韌性，當溫度(du)(du)高(gao)(gao)于860℃時，晶(jing)粒迅速長大，組織惡化，沖(chong)(chong)擊(ji)(ji)(ji)韌性下降。

2.3拉伸試驗

按照(zhao)GB/T228—2010《金屬(shu)材料拉(la)(la)伸試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)第1部分:室溫試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)方法》加(jia)工出(chu)標準拉(la)(la)伸試(shi)(shi)樣如圖3所示，在(zai)INSTＲON5500Ｒ萬能試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)機上進行拉(la)(la)伸性(xing)能測(ce)試(shi)(shi)，TC18鈦合金不(bu)同溫度固溶(rong)處理后的拉(la)(la)伸數據如表4所示，其拉(la)(la)伸應力-應變曲線(xian)如圖5所示。可以看(kan)出(chu):1)固溶(rong)溫度為780℃時，抗(kang)拉(la)(la)強(qiang)度最大，塑性(xing)最差(cha);2)隨著固溶(rong)溫度的升高(gao)，抗(kang)拉(la)(la)強(qiang)度呈現(xian)(xian)為遞減趨(qu)勢，延伸率呈現(xian)(xian)為先升高(gao)后下降(jiang)的趨(qu)勢;3)固溶(rong)溫度在(zai)800～820℃，綜合力學性(xing)能最優。

2.4斷口分析試驗

拉(la)伸斷口(kou)與(yu)沖擊斷口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)形(xing)(xing)貌(mao)如圖6所示，掃(sao)描(miao)(miao)電(dian)鏡觀(guan)察(cha)的(de)(de)(de)(de)(de)微觀(guan)形(xing)(xing)貌(mao)如圖7所示。采用掃(sao)描(miao)(miao)電(dian)子顯微鏡對(dui)沖擊斷口(kou)與(yu)拉(la)伸斷口(kou)進行(xing)觀(guan)察(cha)，可以(yi)發現兩(liang)(liang)種(zhong)斷口(kou)呈現出了微孔聚集型斷裂的(de)(de)(de)(de)(de)微觀(guan)形(xing)(xing)貌(mao)，兩(liang)(liang)種(zhong)斷口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)大多數區(qu)(qu)域均分(fen)布著(zhu)大量的(de)(de)(de)(de)(de)韌窩，兩(liang)(liang)種(zhong)斷口(kou)呈現為(wei)(wei)典型的(de)(de)(de)(de)(de)韌性特征(zheng)。在2000倍掃(sao)描(miao)(miao)電(dian)鏡下表現為(wei)(wei)深度較(jiao)淺、細小的(de)(de)(de)(de)(de)沿晶韌窩，韌窩周圍有明顯的(de)(de)(de)(de)(de)撕(si)裂棱;斷口(kou)的(de)(de)(de)(de)(de)部分(fen)區(qu)(qu)域分(fen)布著(zhu)大量高密度的(de)(de)(de)(de)(de)短而彎曲的(de)(de)(de)(de)(de)撕(si)裂棱線條，這是(shi)因(yin)為(wei)(wei)鈦合(he)金(jin)中的(de)(de)(de)(de)(de)第(di)二相質點(dian)，在外(wai)力的(de)(de)(de)(de)(de)作用下都(dou)容(rong)易成為(wei)(wei)裂紋源，隨著(zhu)應力的(de)(de)(de)(de)(de)增加，會(hui)(hui)在準解理平面內以(yi)臺階的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式擴(kuo)展形(xing)(xing)成河流狀(zhuang)花(hua)樣，當裂紋在畸變的(de)(de)(de)(de)(de)晶粒內部擴(kuo)展時，相鄰(lin)晶粒的(de)(de)(de)(de)(de)邊(bian)界會(hui)(hui)發生(sheng)較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)塑(su)性變形(xing)(xing)，形(xing)(xing)成撕(si)裂棱。

斷口觀察試驗結(jie)果表(biao)明，試驗設置的(de)(de)一系列固溶(rong)溫度(du)對(dui)鈦合金的(de)(de)斷裂模式沒有影響，無論是沖擊斷口還是拉伸斷口在掃描電(dian)鏡下(xia)都表(biao)現為韌窩形貌，均為典(dian)型(xing)的(de)(de)韌性斷裂［10］。

3、結論

1)隨著固(gu)溶(rong)溫度(du)的(de)升(sheng)高，等軸的(de)初生(sheng)α相含量(liang)與尺(chi)寸逐漸減小，β相中彌(mi)散(san)分布的(de)次生(sheng)α相尺(chi)寸長大;當固(gu)溶(rong)溫度(du)達(da)到860℃以上(shang)時，初生(sheng)α相幾乎全(quan)部轉化成了(le)β相，同時晶(jing)粒粗(cu)化，條狀(zhuang)次生(sheng)α相在β晶(jing)粒周圍呈網籃狀(zhuang)結(jie)構分布。

2)隨著固(gu)溶溫度(du)的升高，沖(chong)擊韌度(du)值(zhi)先升高后急劇下降(jiang)，固(gu)溶溫度(du)860℃時沖(chong)擊韌度(du)數值(zhi)最大(da)。

3)隨著固溶溫度的升(sheng)高，抗(kang)拉強(qiang)度呈現(xian)為(wei)遞減趨勢，延伸率呈現(xian)為(wei)先(xian)升(sheng)高后下降(jiang)的趨勢;固溶溫度為(wei)780℃時，抗(kang)拉強(qiang)度最大，塑性最差;固溶溫度在(zai)800～820℃，綜合(he)力(li)學性能最優。

4)固(gu)溶溫(wen)度對鈦合金(jin)的斷(duan)裂模式幾(ji)乎(hu)沒有影響，無論是(shi)沖擊斷(duan)口(kou)還是(shi)拉伸斷(duan)口(kou)，均表現為典(dian)型的韌性斷(duan)裂。

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