热处理对TC4钛合金厚板组织和性能的影响
发布人：上海艾荔艾合金股份有限公司www.shailiai.cn
更新时间：2016-04-23
通过正交试验设计方法，研究了固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间四因素对TC4钛合金厚板显微组织、室温拉伸性能及断裂韧性的影响趋势，对比分析了不同热处理制度下的显微组织差异及其与合金性能的关系，确定了TC4钛合金厚板分别获得最佳室温强度-塑性或最佳室温强度-韧性匹配的热处理制度。
TC4钛合金具有优异的综合性能和良好的工艺特性，是钛合金中使用最广泛、最成熟的(α+β)两相钛合金。普通TC4钛合金抗拉强度一般要求在800MPa～1000MPa之间，伸长率4%～16%之间，断裂韧性典型值K1c为55MPa·m1/2，双态组织的K1c最高可达65MPa·m1/2。然而低间隙TC4钛合金由于严格控制间隙元素C、O、N和杂质元素Fe的含量，虽然会降低一定强度，但其断裂韧性K1c可达到85MPa·m1/2。科研人员采用普通TC4钛合金厚板，尝试仅通过固溶时效热处理，使其在强度水平不降低的情况下断裂韧性达到低间隙TC4钛合金的水平。因此通过正交试验设计方法，研究了固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间四因素对TC4钛合金厚板显微组织、室温拉伸性能及断裂韧性的影响趋势，对比分析了不同热处理制度下的显微组织差异及其与合金性能的关系，确定了TC4钛合金厚板分别获得最佳室温强度-塑性或最佳室温强度-韧性匹配的热处理制度。
试验材料为70mm厚TC4钛合金板材，该合金板经单相区和两相区多火次轧制而成，得到的显微组织为两相区的加工组织，即转变β基本上分布着片层状α相，其长度在20μm～40μm，片层状α相平均宽度约为8μm，且有明显的加工流线，采用金相法测定该合金的相变点温度为（985±5）℃。
按照正交设计试验，以极差为依据研究固溶温度（975、995、1015、1045℃）、固溶时间（10、20、40、60min）、时效温度（670、700、730、760℃）和时效时间（1、2、4、6h）对TC4钛合金厚板组织性能的影响，筛选出最佳试验条件及有关影响因素的大小，固溶处理和时效处理后的冷却方式均选择空冷，按各因素和水平设计的16种试验方案进行试样热处理，沿板材轧制方向切取工作段Φ5mm×25mm的标准拉伸试样。断裂韧性试样取板材L-T方向，采用厚度B=20mm，宽度W=40mm的CT试样。分别进行室温拉伸和断裂韧性测试，观察显微组织形貌及断口形貌。试验结果如下: （1）TC4钛合金厚板在975℃相变点下固溶处理后显微组织为双态组织，晶界处析出互不相连的球状和长条状初生α相，晶内为β转变组织中分布有次生的片状α相；而在995、1015或1045℃相变点上固溶处理后，初生α相全部消失，组织为魏氏组织，晶界平直而清晰，晶内为针状α相。
（2）相变点上固溶处理的试样，其裂纹扩展路径曲折，主裂纹上有许多的微小裂纹，断口粗糙，高低起伏较明显，断口处有明显的韧窝；而相变点下固溶处理的试样，其裂纹扩展路径平滑，断口没有明显的高低起伏，断口为纤维状撕裂。
（3）TC4钛合金厚板室温强度、塑性及断裂韧性主要受固溶温度影响，随固溶温度从975℃相变点下增加到1045℃相变点上，强度变化不大，伸长率和断面收缩率大幅下降，断裂韧性明显升高，995℃固溶处理，670～760℃时效处理可使TC4钛合金厚板获得最佳强度-韧性匹配，此时抗拉强度可达940MPa以上，塑性可达8%以上，K1c可达87MPa·m1/2以上。
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