退火溫度對TC25鈦合金板材組織和性能的影響

TC25（Ti-6.5Al-2Mo-2Zr-2Sn-1W-0.2Si）屬于α＋β型馬氏體熱強鈦合金，高熔點W元素和Mo元素的加入使該合金具有很好的熱強性和熱穩定性，使用溫度高達550℃，適用于制造500~550℃長時使用的航空發動機零件[1-4]。

TC25鈦合金半成品主要有鍛件、模鍛件、沖壓件、棒材等，關于其加工參數、熱處理參數等研究也較多[5-16]。張曉園等[5]研究了熱變形參數對TC25鈦合金β鍛坯微觀組織和拉伸性能的影響；王林岐等[6-8]研究了熱加工參數對TC25鈦合金壓氣機盤鍛件顯微組織和性能的影響；白曉環等[9]研究了熱處理工藝對BT25鈦合金鍛件組織與性能的影響；彭新元等[10]開展了鍛造TC25鈦合金環形件組織和性能的研究；康彥等[11-13]探索了鍛造工藝參數對BT25合金棒材組織與性能的影響；彭新元等[14-15]研究了退火制度對TC25鈦合金棒材組織和力學性能的影響；史小云等[16]研究了試樣坯熱處理和整體熱處理兩種熱處理方式對TC25鈦合金棒材組織和力學性能的影響。但是，關于TC25鈦合金板材半成品的研究較為缺乏，僅王媛等[17]研究了不同熱處理工藝對TC25鈦合金板材室溫力學性能和顯微組織的影響，且該研究未涉及到高溫性能的變化規律。

通過研究不同退火溫度下TC25鈦合金板材的顯微組織、室溫力學性能和高溫力學性能，分析不同退火溫度下板材組織和性能的變化規律，以期為TC25鈦合金板材的生產提供指導，助推其在航空領域的應用。

1、實驗

實驗材料為經真空自耗電弧爐3次熔煉的TC25鈦合金鑄錠，其相變點為1000~1010℃，化學成分見表1。

TC25鈦合金鑄錠經萬噸油壓機在β相區自由鍛為厚度150mm的板坯后，采用1200mm四輥可逆式熱軋機在相變點以上（30~60）℃一火次（變形量80%）、相變點以下（30~60）℃兩火次（變形量40%~70%）軋制成厚度6.0mm的板材。

采用SX3-12-10高精度熱處理爐對熱軋態TC25鈦合金板材進行不同溫度的退火處理，退火溫度分別為760、800、840、880、920、960℃，保溫時間為60min，冷卻方式為空冷。對TC25鈦合金板材進行顯微組織觀察、室溫力學性能和高溫力學性能測試。金相試樣用腐蝕劑（5%HF＋12%HNO3＋83%H2O，體積分數）腐蝕后，利用AXIOVERT200MAT金相顯微鏡按照GB/T 5168—2020標準進行顯微組織觀察。室溫和高溫力學性能分別按照GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015標準在INSTRON5885電子萬能材料拉伸試驗機和ETM高溫拉伸試驗機上測試。

2、結果與分析

2.1顯微組織

圖1為熱軋態TC25鈦合金板材的顯微組織。從圖1可以看出，TC25鈦合金板材熱軋態顯微組織為拉長組織，其中橫向組織中拉長的初生α相存在縱橫交織現象，縱向組織中拉長的初生α相呈單一方向。圖2為TC25鈦合金板材經不同溫度退火后的橫向與縱向顯微組織。TC25鈦合金板材退火溫度在760℃時，初生α相球化，但由于溫度較低，仍以長條狀為主，如圖2a、2b所示。退火溫度升高至800~840℃時，球狀初生α相直徑增加，長條狀初生α相短軸增寬，說明初生α相進一步等軸化，且逐漸長大，如圖2c~2f所示。當退火溫度升高至880℃時，初生α相開始溶解，晶界溶斷，β轉變組織中次生α相增多，TC25鈦合金板材顯微組織類型發生轉變，如圖2g、2h所示。退火溫度進一步升高至920℃時，TC25鈦合金板材β轉變基體上的次生α相清晰可見，尺寸也明顯增大，呈現雙態組織，如圖2i、2j所示。當退火溫度升高至960℃時，雙態組織中的初生α相含量明顯減少，次生α相含量顯著增多，尺寸進一步增大，如圖2k、2l所示。可見，隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材熱加工形成的等軸組織逐漸向雙態組織轉變。

圖 1 熱軋態 TC25 鈦合金板材的顯微組織

Fig.1 Microstructures of TC25 titanium alloy plate as hot rolled: (a) transverse; (b) longitudinal

圖 2 經不同溫度退火后 TC25 鈦合金板材的顯微組織

Fig.2 Microstructures of TC25 titanium alloy plate after different annealing temperatures: (a) 760 ℃-T; (b) 760 ℃-L; (c) 800 ℃-T;(d) 800 ℃-L; (e) 840 ℃-T; (f) 840 ℃-L; (g) 880 ℃-T; (h) 880 ℃-L; (i) 920 ℃-T; (j) 920 ℃-L; (k) 960 ℃-T; (l) 960 ℃-L

2.2室溫力學性能

圖3為TC25鈦合金板材經不同溫度退火后的室溫拉伸性能。從圖3a可以看出，TC25鈦合金板材橫向抗拉強度略高于縱向，隨著退火溫度的升高，抗拉強度整體呈現先減小、后變化不大、而后增大的趨勢。當退火溫度由760℃升高至800℃時，板材室溫抗拉強度明顯減小。這主要是由于隨著退火溫度的升高，加工硬化不斷被消除，板材強度降低。當退火溫度升高至840℃時，板材內部由于熱加工產生的應力已完全消除，因此退火溫度繼續升高（880℃）時強度變化不大。而當退火溫度進一步升高至920℃時，次生α相增多，拉伸過程中位錯滑移至次生α相時易于形成位錯塞積，板材抗拉強度顯著升高。溫度進一步升高至960℃時，抗拉強度變化不大。可見，抗拉強度的變化與顯微組織的變化關系密切。從圖3b可以看出，TC25鈦合金板材橫、縱向屈服強度隨著退火溫度的升高呈現先減小后增大的趨勢，且橫向屈服強度略高于縱向。退火溫度為880℃時，橫、縱向屈服強度最低，分別為1001MPa和995MPa，而后因組織類型變化，屈服強度急劇增大。從圖3c可以看出，TC25鈦合金板材退火溫度在760~920℃時，其橫、縱向斷后伸長率呈現先減小后增大的趨勢，在920℃時達到最大。退火溫度升高至960℃時，橫向斷后伸長率略有減小，縱向斷后伸長率沒有變化。

圖 3 經不同溫度退火后 TC25 鈦合金板材的室溫力學性能

Fig.3 Room temperature mechanical properties of TC25 titanium alloy plate after annealing at different temperatures: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

可見，在實驗溫度范圍內，受顯微組織的影響，TC25鈦合金板材在920~960℃退火時的室溫力學性能優于在800~880℃退火時的室溫力學性能。

2.3高溫力學性能

圖4為TC25鈦合金板材經不同溫度退火后的500℃高溫拉伸性能（橫向）。從圖4可以看出，在800~920℃范圍內，隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材高溫抗拉強度由815MPa逐漸增加至924MPa；當退火溫度達到960℃時，高溫抗拉強度變化不大。TC25鈦合金板材高溫屈服強度在800~880℃變化不大，在684~694MPa之間；而當退火溫度達到920℃時，高溫屈服強度達到720MPa，960℃時增大至736MPa。可見，與等軸組織相比，雙態組織TC25鈦合金板材的高溫力學性能更為優異。這主要是由于雙態組織中等軸α相減少、β轉變組織增多，β轉變組織中交織分布的次生α相對滑移起到較強的阻礙作用，使得板材抵抗變形的能力增加，從而表現出更好的高溫力學性能[18]。由此可見，退火溫度的提高有助于TC25鈦合金板材高溫拉伸性能的提升。

圖 4 經不同溫度退火后 TC25 鈦合金板材的高溫力學性能

Fig.4 High temperature mechanical properties of TA15 titanium alloy plate after annealing at different temperatures

3、結論

(1)隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材熱加工形成的等軸組織中初生α相長大，在920℃退火時等軸組織轉變為雙態組織，β轉變基體上的次生α相清晰可見。

(2)隨著退火溫度的升高，TC25鈦合金板材室溫抗拉強度先在760~800℃減小、后在800~880℃變化不大、而后在920~960℃顯著增加；高溫抗拉強度隨著退火溫度的升高逐漸增大，在退火溫度達到920℃后變化不大。

(3)TC25鈦合金板材在920~960℃退火時可獲得均勻的雙態組織，且具有良好的室溫和高溫拉伸性能。

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