退火溫度對TC2鈦合金板材的組織和硬度的影響

引言

TC2鈦合金是一種中等強度的α＋β型鈦合金，含有約4％Al和約1.5％Mn[1]。該合金板材的成形性能較好，在熱態和有限的冷態下均具有穩定的成形性能。TC2鈦合金結構件能夠在350℃以下的溫度運行2000ｈ，可在航空航天領域應用，尤其適合制作飛機機翼、安定面、襟翼和機翼等構件及焊接結構件，應用非常廣泛[2-4]。

熱處理是一種常用的材料加工手段，對改善材料組織和性能具有顯著的作用，不同的熱處理工藝有不同的作用。TC2鈦合金是一種新型合金，目前，熱處理工藝對TC2合金板材組織和性能的影響的研究還鮮有報道，因此有必要對其進行深入研究。

本文對TC2鈦合金板材進行了不同溫度的退火處理，檢測了退火后板材的組織和硬度，以揭示退火溫度對TC2合金板材組織和性能的影響，獲得合理的熱處理工藝參數，供實際生產參考。

1、試驗過程和方法

試驗研究用TC2鈦合金板材，采用二次真空自耗電弧爐熔煉，鑄坯經熱軋機反復疊扎成1mm厚的板材。板材的熱軋態微觀組織如圖1所示。圖1表明，TC2鈦合金板材的熱軋態組織主要為初生的α相和轉變的β相，且分布比較均勻。

通過金相法測得TC2合金的相變點為（955±5）℃。

采用線切割制備試樣，尺寸為20mm×10mm×1mm，然后將試樣分成4組，分別進行退火處理。

退火溫度分別為650℃、680℃、710℃和740℃，保溫1ｈ空冷。熱處理設備為ＫＴＹ9100型高溫箱式電阻爐，熱處理完成后制備金相試樣（鑲嵌、粗磨、精磨、化學拋光和精拋），然后采用ＤＭＩ5000Ｍ金相顯微鏡觀察顯微組織。采用ＨＶＳ10型數顯小負荷維氏硬度計測量硬度。

2、試驗結果及分析

2.1顯微觀組織

圖2為不同溫度退火后TC2鈦合金板材的顯微組織。由圖2可以看出，在650℃和680℃退火的板材，其微觀組織的差異比較顯著，雖然均為雙相組織，但α相和β相的含量和分布明顯不同。其原因可能是，退火溫度升高，使得微觀組織中細小的次生α相逐漸溶入基體而消失，而比較粗大的α相則得以繼續存在并緩慢長大。當退火溫度升高到710℃時，退火后板材的微觀組織又發生了變化，次生α相長大，開始形成鏈狀和短棒狀結構，同時β相也逐漸長大，吞并晶界上的α相，呈不規則形態。隨著退火溫度升到740℃，退火后板材中 β相向α相轉化，含量減少，α相繼續長大，開始出現近似片狀的組織。

2.2硬度

采用ＨＶＳ-10型數顯小負荷維氏硬度測定熱處理后試樣的硬度，每個試樣測3點，取平均值，結果列于表1。由表1可以看出，退火溫度對TC2合金板材的硬度有一定影響，可能是因為退火溫度相差不太大，這種差異不是太明顯，但種硬度差異與微觀組織的變化相吻合。

3、結論

（1）隨著退火溫度從650℃升高至740℃，TC2鈦合金板材的微觀組織不斷變化：首先是小的次生α相逐漸溶入基體而消失，比較粗大的α相得以繼續存在并慢慢長大；而后形成鏈狀和短棒狀結構，同時β相也逐漸長大，吞并晶界的α相，呈現不規則形態；最后α相長大成近似片狀。

（2）TC2鈦合金板材的硬度隨著退火溫度的升高先降低后升高，650℃退火的板材硬度最高，710℃退火的最低，但硬度隨退火溫度的升高而變化的幅度不大。

參考文獻

[1]顏鳴皋，劉伯操，吳世平，等.中國航空材料手冊[Ｍ].2版.北京：中國標準出版社，2002.

[2]曹春曉.航空用鈦合金的發展概況[Ｊ].航空科學技術，2005（4）：3-6.

[3]趙永慶，奚正平，曲恒磊，等.我國航空用鈦合金材料研究現狀[Ｊ].航空材料學報，2003，10（23）：215217.

[4]黃張洪，曲恒磊，鄧超，等.航空用鈦及鈦合金的發展及應用[Ｊ].材料導報，2011，25（1）：102-104.