時效溫度對TC20鈦合金鍛造棒材組織與性能的影響

鈦及鈦合金因其密度小、比強度高、耐腐蝕和生物相容性好等優(yōu)良性能，是極其重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于航空航天以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)同類醫(yī)用鈦合金TC4 相比而言，TC20鈦合金選用原子濃度相同且性能與組織穩(wěn)定、無毒害作用的Nb 替代V，解決了TC20鈦合金作為醫(yī)用置換術(shù)關(guān)鍵性材料的難題。

固溶時效又稱強化熱處理，通過調(diào)控鈦合金相變過程實現(xiàn)強化效果，是TC20等α+β 型合金最主要的熱處理方式。目前對于TC20的工業(yè)化研究只限于熱連軋線材與板材軋制等領(lǐng)域，而對于全流程等溫鍛造的小規(guī)格棒材組織與性能的研究相對較少，為此本文研究了不同時效溫度下TC20鈦合金鍛造棒材的組織演變及熱處理工藝對其組織和性能的影響，旨在為全流程鍛造生產(chǎn)的TC20小尺寸鈦合金棒材提供生產(chǎn)經(jīng)驗。

試驗材料以及方法

試驗所用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，經(jīng)真空自耗電弧爐二次熔煉的φ696mm 錠型鑄錠，經(jīng)過β 區(qū)開坯鍛造+兩相區(qū)鍛造(鐓粗和拔長)+兩相區(qū)徑向鍛造等一系列工序生產(chǎn)的φ32mm 棒材。根據(jù)YS/T 1262-2018的試驗方法測得化學(xué)成分見表1，經(jīng)金相法測得該棒材本體相變點為1001℃。

表1 鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

熱處理試驗在箱式電阻爐中進行，表2 為熱處理制度；檢測顯微組織采用Axiovert 200 MAT 光學(xué)顯微鏡，利用Clemexe 成像軟件配合光學(xué)顯微鏡確定顯微組織中初生α 相的體積分數(shù)，室溫拉伸性能檢測使用Instron 5885 電子萬能材料試驗機，室溫沖擊韌性使用JNS 300 擺錘式?jīng)_擊試驗機。

表2 經(jīng)鍛棒材熱處理制度

試驗結(jié)果與討論分析

時效溫度對材料微觀組織的影響

TC20固溶時效主要依靠轉(zhuǎn)變β 組織在后續(xù)的長時間時效過程中析出彌散的α 固溶體，使合金在強韌性方面得到協(xié)同提高。TC20鈦合金鍛棒在經(jīng)相區(qū)固溶+時效處理后的顯微組織為典型的混合組織，由初生的等軸α 相與β 轉(zhuǎn)變組織組成，如圖1(a)所示。經(jīng)950℃高溫固溶隨后空冷，會獲得大量的針狀次生α 相及少數(shù)殘留β 相，在隨后的低溫時效過程中，形成少量時效ω 相和β 相。隨著時效溫度的不斷升高，初生α 相含量與尺寸變化不大，這是由于950℃固溶溫度在TC20合金相變點附近，較高的固溶溫度使得過飽和度增大，而轉(zhuǎn)變β 組織在熱力學(xué)上屬于亞穩(wěn)相，隨后的時效過程屬于亞穩(wěn)相的緩慢分解與析出，而亞穩(wěn)相的分解與析出優(yōu)先在晶界等能量較高的位置發(fā)生，對于尺寸較大的初生相基本不會產(chǎn)生影響。次生α 相片層對隨后的時效溫度更加敏感，在時效過程中，次生片層α 相從β 晶界、α/β 相界及α 相晶內(nèi)析出，其形貌表現(xiàn)為細長而又平直的松針狀，如圖1(d)所示。并且次生α 形貌以及尺寸隨著時效溫度的升高發(fā)生趨勢性變化：⑴當(dāng)時效溫度為500/525℃時，次生α 相與其相組元之間的邊界比較模糊，而隨著時效溫度的不斷升高，次生α 相與周圍其他組元之間的邊界逐漸變得清晰；⑵隨著時效溫度的不斷升高，次生α 相的形貌由細針狀逐漸變得短粗，進而當(dāng)溫度達到600℃時，變成典型的板條狀聚集分布，寬度達到500℃試樣的1.3 ～2倍。

圖1 不同時效溫度下的顯微組織

次生細針狀α 相片層組織的形貌粗化是一種外界溫度驅(qū)動下的熱力學(xué)激活過程，并且時效溫度越高，為此激活過程會提供更多的生長驅(qū)動力，同時降低了系統(tǒng)中次生組元的形核速率，當(dāng)系統(tǒng)處于一定的溫度下，其次生α 相的形核速率減慢，而此時的生長驅(qū)動力加快，進而必將促使次生片層α 相發(fā)生粗化，而其粗化速率受到溶質(zhì)原子的擴散率所控制。

組織與力學(xué)性能的相關(guān)性討論

TC20合金鍛造棒材不同時效狀態(tài)下力學(xué)性能見表3，棒材經(jīng)固溶時效處理后，組織中析出大量次生片層狀α 相，此時當(dāng)沖擊形成的裂紋向材料內(nèi)部擴展遇到取向不同的次生α 片層時，裂紋會發(fā)生分解，使得一大部分裂紋方向發(fā)生改變，隨之沿著次生α片層的最易動位向進行擴展，而大量次生α 片層之間相互縱橫交叉，次生裂紋的擴展方向會不斷發(fā)生改變，所以α 片層形貌上的粗化現(xiàn)象，會導(dǎo)致斷裂韌性值不斷下降，時效溫度高于550℃之后，斷裂韌性值降低很快；就材料強韌性而言，500～550℃之間時，其抗拉強度降低不多，力學(xué)性能比較平穩(wěn)(降幅在1.01%)，并且延伸率增幅較大(增幅在25.9%)，隨后當(dāng)溫度高于550℃時，其延伸率急劇下降后又逐漸恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。結(jié)合室溫拉伸性能與沖擊性能，當(dāng)固溶時效制度為950℃×1.5h.AC+550℃×6h.AC時，斷裂韌性值為56J/cm2，抗拉強度為910MPa，延伸率為19%，實現(xiàn)了材料強韌化的協(xié)同提高。

表3 不同時效狀態(tài)下力學(xué)性能

結(jié)論

⑴TC20鈦合金鍛棒在固溶時效處理后為典型的混合組織，并且隨著時效溫度的不斷升高，次生α相的形態(tài)由細針狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀，發(fā)生熱激活下的粗化現(xiàn)象。

⑵初生α 相的含量以及形貌對試驗所設(shè)時效溫度不敏感。

⑶固溶時效制度為950 ℃×1.5h.AC+550 ℃×6h.AC 時，斷裂韌性值為56J/cm2，抗拉強度為910MPa，延伸率為19%，實現(xiàn)了鍛造棒材強韌化的協(xié)同提高。