分享：热处理工艺对大规格Ti6246钛合金棒材组织与性能的影响

钛及钛合金作为继金属铝和金属铁之后的“第三金属”，在地壳中储量丰富，与其它金属相比，钛及钛合金具有高比强度、低密度、高耐热性、无磁性、低热膨胀系数、高的耐腐蚀性能以及良好的生物相容性能等诸多优点，是航空航天器轻量化和提高其综合性能的绝佳用材[1]。钛及钛合金应用水平是体现飞行器先进程度的一个重要参考指标。如波音757客机的钛合金用量占整个结构质量的5%，用量高达3640 kg。麦道公司生产的DC10飞机，钛合金用量达5500 kg，占结构质量的10%。与此同时，钛合金大量在航空发动机中使用，一般占结构总质量的20%~30%，主要用于制造压气机部件。20世纪80年代和90年代，钛合金在飞机和发动机中的用量大幅度提高。美国的第四代战斗机F22的用钛量占全机质量的41%，其动力装置F119发动机的用钛量占总质量的36%。钛合金已成为现代飞机和发动机不可缺少的结构材料之一[2]。

Ti6246钛合金（Ti–6Al–2Sn–4Zr–6Mo）是一种高Mo含量的高温钛合金，该合金具有良好的热加工性能，合金的长期使用温度在420 °C左右，短期使用温度可达540 °C[3]，可用于制造航空发动机的风扇盘、压气机盘件、叶片等厚截面结构件，具有良好的应用前景[4−5]。由于Ti6246钛合金中含有质量分数6%的强β稳定元素Mo，使得合金的力学性能对热处理制度非常敏感[6]。本文旨在通过研究规格为?200 mm的Ti6246钛合金棒材在不同热处理制度下的显微组织与力学性能的变化规律，以期获得热处理制度与棒材综合性能的最佳匹配方案，作为该合金棒材后续生产的参考方案。

1.   实验材料与方法

所用材料为新疆湘润熔铸厂3次真空自耗电弧炉熔炼制备的规格为?650 mm的Ti6246钛合金铸锭，采用电感耦合等离子体光谱仪（ICP）测试铸锭化学成分（见表1），符合AMS 4981H同时满足GB/T 3620.1标准的要求，用金相法测得该铸锭的(α+β)/β相变点为975~980 °C。

铸锭先在β相区进行开坯锻造，开坯锻造采用镦拔工艺，总锻比大于6，将原始铸态组织充分破碎。然后在α+β两相区采用镦拔与常规拔长相结合的工艺方案进行锻造，总锻比大于12，经过充分均匀的塑性变形，最终锻造成规格为?200 mm的大规格Ti6246钛合金棒材。

图1为Ti6246钛合金棒材头、底部锻后中心位置金相组织，由图1可知，合金棒材头、底部的原始金相组织均为典型的等轴组织，该组织由两部分构成，分别为初生α相和β转变组织，初生α相形貌以等轴状为主，并有少量长条状α相，而β转变组织由次生α相以及残余β相构成，次生α相形貌为细针状，残余β相位于次生α相之间。由图1可以看出合金棒材头、底部位组织均匀、一致性好，不同部位各向异性小。

图2为Ti6246钛合金棒材头、底部锻后宏观组织，由图2可以看出，棒材头、底部低倍组织无裂纹、折叠、气孔、偏析、金属或非金属夹杂及其他目视可见的冶金缺陷。无肉眼可见的清晰粗大晶粒。

从图1、图2棒材锻后高、低倍组织可以看出，经常规锻造生产的Ti6246钛合金棒材不同部位组织均匀，中心部位锻透性好，工艺方案达到了预期效果。

为充分挖掘合金的潜力，探究固溶时效制度对合金性能的影响，通过热处理将合金性能调整到最优，因此采用“高温固溶+低温固溶+低温时效”、“低温固溶+低温时效”、“低温固溶+低温时效+高温二次时效”3种工艺思路开展热处理试验。具体热处理制度见表2，其中WC为水淬，AC为空冷。

为保证试验结果的一致性，同时检测棒材心部的锻透性，在棒材中心位置取样，室温拉伸试样取样方向为棒材纵向，金相组织检测方向为棒材横向。首先从棒材本体上切取?200 mm×70 mm试样坯，然后在试样坯中心部位用线切割掏取直径为?40 mm×70 mm试样棒，采用表2的热处理制度利用马弗炉对试样棒进行热处理，热处理完成后在?40 mm试样棒中心用线切割掏取?12 mm×70 mm试样进行纵向力学性能检测（取样方法见图3）。室温力学性能检测完成后在试样端面进行横向显微组织检测，室温拉伸性能的检测执行ASTM E8/E8M-2016a标准的要求。其中，合金热处理用马弗炉的精度等级为2级，采用ICX41M型倒置光学显微镜观察合金的金相组织，采用CMT5205型万能电子拉伸试验机检测室温拉伸性能。

2.   结果与分析

2.1   不同热处理制度对合金棒材显微组织的影响

图4~6为Ti6246钛合金棒材采用表2中的热处理制度进行热处理后得到的显微组织。研究表明，Ti6246合金在单相区及α+β两相区经固溶处理后快速入水水冷，因该合金中β稳定元素含量高，会发生β→α"转变以及少量亚稳β相的形成。时效后会发生马氏体α"相的转化、分解以及亚稳β相的分解，析出细小、弥散的次生α相[7]。

从图4可以看出，经工艺A处理后的显微组织，随着第一阶段固溶温度的升高，初生α相含量明显下降，固溶温度为890 °C时，初生α相体积分数为38%，固溶温度为945 °C时，初生α相体积分数降至13%，固溶温度升至965 °C时，初生α相体积分数仅剩2%。次生α相含量增加，尺寸增长变宽，且越接近(α+β)/β相变点，显微组织则由原来的等轴组织变成细长的针状组织。因此调整高温固溶温度对合金棒材的显微组织的形貌有明显的影响。

从图5可以看出，经工艺B处理后的显微组织为典型的等轴组织，由初生α相和β转变组织（次生α相）组成，初生α相形貌以等轴状为主。固溶温度一定的条件下，随着时效温度的增高，初生α相尺寸以及数量均无明显变化，初生α相体积分数在35%左右，平均晶粒尺寸约为8 μm。次生α相仅有微弱的长大趋势，因此，仅通过小范围内调整时效温度对合金棒材显微组织形貌的影响并不明显。

从图6可以看出，采用工艺C处理后的显微组织由拉长的片状α+少量的等轴α以及板条状次生α组成，初生α相体积分数为45%左右。相较于只进行一次时效的显微组织（见图5），二次时效后合金显微组织在形态上有较为明显的变化，这主要因为随着二阶段高温时效的进行为晶体的再结晶提供畸变能量，晶粒内部发生了新晶粒重新形核和长大过程，随着第二阶段时效温度的升高，初生α相尺寸以及数量变化不明显，但次生α相有长大趋势。所以调整二次时效温度对合金棒材显微组织的影响不大。

合金棒材经不同热处理制度处理后的显微组织对比分析，发现在原“低温固溶+低温时效”制度的基础上，增加高温固溶及高温二次时效均能明显的改变棒材显微组织形貌特征。

2.2   不同热处理制度对棒材室温拉伸性能的影响

Ti6246钛合金棒材经不同热处理制度下的室温拉伸性能如图7~9所示。从图7可以看出，经工艺A处理后的合金棒材，图中随着第一阶段固溶温度的升高，棒材的强度以及塑性均呈现下降趋势，尤其是塑性的下降趋势很大，延伸率（A）由10%降至5%，断面收缩率（Z）由24%降至12%。在钛合金塑性变化过程中，其塑性主要由初生α相的形貌和尺寸所决定，而强度则主要由β转变相/次生α相含量以及尺寸所控制[8]。当第一阶段固溶温度为890 °C时，合金的显微组织由等轴初生α相和β基体析出的细针状次生α相组成，弥散分布的细针状次生α可以有效阻碍位错的滑移和攀移，从而起到强化作用[9]。随着第一阶段固溶温度升至965 °C，合金的显微组织由原来的细小的等轴组织变为细长的针状组织，初生α相体积分数由38%迅速减少至2%，次生α相形貌明显增长变宽，严重弱化了次生α相的强化作用，从而导致合金强度及塑性均呈现下降趋势。

从图8可以看出，经工艺B处理的合金棒材，图中随着时效温度的升高，棒材的强度呈现下降趋势，而塑性逐渐升高，这是由于固溶温度一定时，初生α的含量变化不大，但随着时效温度的提高，次生α相的尺寸逐渐粗化，次生α相强化效果下降，但其形状尖锐钝化，使应力集中效果减弱，起到一定的“软化”作用[10]。故而合金抗拉强度（Rm）由1366 MPa降至1321 MPa，屈服强度（Rp0.2）由1188 MPa降至1158 MPa。延伸率（A）由8%升至11.5%，断面收缩率（Z）由18%增至23%。

从图9可以看出，经工艺C处理的合金棒材，图中随着二次时效温度的升高，强度呈现下降趋势，塑性提高。这是由于进行二次时效后，晶体内部发生回复再结晶过程，此过程通过原子扩散来实现，随着时效温度的升高，原子的扩散速度加快，扩散距离增加，这种趋势随着时效温度的升高将会愈发明显。初生α相颗粒间出现短棒状的晶界α相。随着二次时效温度提高，次生α相的数量增加，尺寸明显粗化，短棒状的晶界α相也不断加粗，并呈连续分布状态，初生α相含量及尺寸并无明显变化，导致合金强度下降，塑性升高。这与试验结果相吻合。随着二次时效温度的升高，合金抗拉强度（Rm）由1347 MPa降至1294 MPa，屈服强度（Rp0.2）由1194 MPa降至1147 MPa。而塑性反之，延伸率（A）由11.5%升至14%，断面收缩率（Z）由28%增至34%。

3.   结束语

（1）经常规锻造生产的大规格Ti6246钛合金棒材，在原有工艺B制度的基础上，增加高温固溶及高温二次时效均能明显的改变棒材的显微组织形貌特征，而在同一固溶温度下，小范围内改变时效温度对棒材显微组织的影响不大。但合金的室温拉伸性能对热处理制度非常敏感。

（2）经常规锻造生产的大规格Ti6246钛合金棒材，利用工艺B制度处理后，可使合金棒材得到较为理想的强度和显微组织形貌。利用工艺C制度处理后的合金棒材可获得更加优异的塑性。

（3）经870 °C/1 h，WC+585 °C/8 h，AC+590 °C/2 h，AC处理后的合金棒材，抗拉强度可以达到1347 MPa，屈服强度可以达到1194 MPa，延伸率为11.5%，断面收缩率为28%，得到较为理想的强塑性匹配。

文章来源——金属世界