TC21钛合金的热加工行为研究进展

关 键 词 ＴＣ２１钛合金 工艺参数 相组成 显微组织与性能 损伤容限
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ＴＣ２１Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ ｉｎ Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ
ＹＡＯ Ｃｈｕａｎｓｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ， ＤＵ Ｘｉｕｊｕａｎ，ＣＨＥＮ Ｃｈｅｎｇ
过变形和热处理来实现。两相区钛合金的典型显微组织有４ 种，各表现出不同的性能：等轴组织具有 较 高 的 塑 性，尤 其 是 断面收缩率较高，但是断裂、冲击韧性和 持 久 强 度 较 差；网 篮 组织断裂韧性好，持 久 强 度 高，具 有 高 的 热 强 性 和 抗 蠕 变 性 能，但塑性、热稳定性和疲劳性能较低；魏 氏 组 织 的 断 裂 韧 性 较好，但塑性、疲 劳 性 能 和 拉 伸 性 能 都 较 低。 在 实 际 生 产 过 程中，应当避免出现魏氏组织。混合组织 是 上 面 几 种 组 织 的 混合，是实际生产 中 经 常 见 到 的 一 种 组 织 类 型，其 性 能 介 于 上述几种组织的优劣之间。
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｄａｍａｇｅ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ———ＴＣ２１ａｌｌｏｙ ｉｓ ｓｕｍ－ ｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｔ－ｗｏｒｋｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｔｈｉｓ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｏｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｎ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｔｏｌｅｒａ－ ｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ＴＣ２１ａｌｌｏｙ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，Ｉｔ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ＴＣ２１ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｓｏｍｅ ａｒｅａｓ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ，ｂｕｔ ｎｅｅｄｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
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材料导报 Ａ：综述篇
２０１１ 年 １２ 月 （上 ）第 ２５ 卷 第 １２ 期
ＴＣ２１ 钛 合 金 的 热 加 工 行 为 研 究 进 展 ＊
姚 传 生 ，陈 铮 ，王 永 欣 ，张 静 ，杜 秀 娟 ，陈 成
（西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安 ７１００７２）
摘要 综述了高强高韧损伤容限型钛合 金 ＴＣ２１ 的 热 加 工 行 为 研 究 进 展。 重 点 介 绍 了 热 加 工 及 热 处 理 工 艺 参数对 ＴＣ２１钛合金的相组成、显微组织与力学性能、损伤容限性能等方面的影响。指出 ＴＣ２１钛合金在国内某 些 领 域 已 经与 开 发 。
文献［１６］中比较了两种不同的 热 处 理 制 度 （（α＋β）两 相 区退火和β单相区退 火）对 ＴＣ２１钛 合 金 的 微 观 组 织 和 力 学 性能的影响，分别讨论了网篮组织和片状组织 对 材 料 的 拉 伸 性能、断裂韧度和疲劳裂纹 （长裂纹）扩展性能的影响。结果 显示：片状组织相 比 网 篮 组 织 有 相 近 的 拉 伸 强 度，但 塑 性 较 差；两者的韧性相差不大，但增韧机理不 同；网 篮 组 织 在 中 低 速扩展区的扩展速率和片状组织几乎相同，但 在 较 高 速 扩 展 区显示略低的扩展速率；加载方向对两种组织 的 疲 劳 裂 纹 扩 展速率基本无影响。张 颖 楠 等 采 ［１７］ 用 ３ 种 不 同 的 热 处 理 制 度研究了合 金 的 显 微 组 织 与 室 温 拉 伸 性 能 的 关 系，得 出 结 论：（１）在［Ｔ β－ （２０～５０）℃］／１ｈＡＣ＋６００℃／４ｈＡＣ 处 理 制度下，ＴＣ２１ 合 金 Φ２０ｍｍ 棒 材 的 室 温 拉 伸 强 度 和 塑 性 分 别为 抗 拉 强 度 大 于 等 于 １１０５ＭＰａ，屈 服 强 度 大 于 等 于 １０００ＭＰａ，延 伸 率 大 于 等 于 １５％，断 面 收 缩 率 大 于 等 于 ４３％；（２）ＴＣ２１合金 的 显 微 组 织 为 双 态 组 织 时，室 温 拉 伸 性 能得到良好的匹配；（３）ＴＣ２１合金采用 ＳＴＡ 热处理时，固 溶 温度接近或超过 相 变 点 后，合 金 塑 性 明 显 下 降；提 高 时 效 温 度将引起合 金 强 度 下 降；延 长 时 效 时 间 将 引 起 合 金 强 度 升 高，塑性下 降。 文 献 ［１８］也 得 到 了 与 张 颖 楠 类 似 的 研 究 结 果。文献［１９］中发现 模 锻 钛 合 金 在 Ｔβ－２０℃ 以 下 加 热 可 最 大程度地保持初生 α相 长条状的形貌，从而可确保模锻件获 得优异的强韧性和损伤容限性能综合匹配，且 合 金 的 时 效 时 间在４ｈ左右比较适 宜；文 献［２０］中 发 现 ９１５℃ 保 温 １ｈ 后 空 冷合金可获得最高的冲击韧性。张利军等 研 ［２１］ 究 发 现，采 用 近β相（在β／（α＋β）转变点以下１０～１５℃加热、变形）锻造 工 艺生产的 ＴＣ２１钛合金模 锻 件，可 获 得 由 少 量 等 轴 α相 和 大 量细小的网篮条状 α相及少 量 残 留 β相 组 成 的 ３ 态 组 织，这 种组织可在获得优异高温性能的同时保持良好的室温性能。 Ｚｈｕ等 研 ［２２］ 究了高温变形 条 件 下 ＴＣ２１ 钛 合 金 的 组 织 特 征， 得到了不同应变条件 下 的 热 加 工 图（见 图 ３），由 图 ３ 分 析 可 知，在 热 变 形 过 程 中 应 变 速 率 对 流 动 应 变 有 显 著 影 响，在 １０００～１１５０℃，应变速率 ０．０１～０．５ｓ－１范 围 内，随 着 变 形 温 度的升高和应变速 率 的 减 小，流 动 应 变 会 减 小，图 ３ 中 出 现 两 个 耗 散 效 率 峰，分 别 为 １０００℃ （０．０１ｓ－１ ）和 １１５０℃ （０．０１ｓ－１），与之对应的分别 是 动 态 回 复 和 动 态 再 结 晶 过 程， 由于片状组织球花是一种动 态 再 结 晶 过 程 ，故 ［２３，２４］ 该 区 域 可 认为是材料热加工的理想区，而应 变 速 率 超 １ｓ－１时 会 出 现 流 变非稳定区，热加工时应避免出现该种情 况。宫 旭 辉 等 研 ［２５］
ＴＣ２１ 钛 合 金 的 热 加 工 行 为 研 究 进 展／姚 传 生 等
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β相，并 含 有 少 量 金 属 化 合 物，如 α２－Ｔｉ３Ａｌ相、Ｂ２ 相、Ｚｒ３Ａｌ、 Ｓｉ２Ｍｏ等，并指出冷却速 度 和 时 效 对 β相 转 变 基 体 组 织 和 次 生α相均有影 响。 王 义 红 等 研 ［１０］ 究 了 冷 却 速 度 对 ＴＣ２１ 钛 合金相变规 律 的 影 响，结 果 表 明，当 冷 却 速 率 大 于 １２２℃／ｓ 时，β相转变形成正交马氏体 α″相，冷速介于 １２２～３℃／ｓ时， 发生块状转变，冷速继续降低，相变由扩散 控 制，形 成 两 种 不 同形貌的魏氏 体 α 片 层 （较 平 滑 的 α 片 层 和 较 曲 折 的 α 片 层）。时效过程中 会 发 生 如 下 的 相 变 过 程：随 时 效 温 度 的 升 高，α相逐步发生 α→α＋α富 →α＋β亚 稳 →α＋β，α″＋α′＋β 亚稳→α＋β，α″→α＋β等 分 解 过 程。Ｗａｎｇ等 同 ［１１］ 时 研 究 了 固溶温度对 ＴＣ２１两相钛合金相变的影响，随着固溶 温 度 的 升高，α相的体积分数会逐渐减少，如图１所示。Ｘ 射 线 衍射 分析结果如图２所示，可以看出８４０～１０００℃淬火过 程 中，会 出现针状（α″）马氏体组织，９７０～１０００℃ 淬 火 过 程 中 有 再 生 β 相和 α２ 沉淀相的出现，这与前面论述的研究结果完全一致。
２ 热加工 及 热 处 理 工 艺 参 数 对 合 金 组 织 和 性 能的影响
ＴＣ２１是一种两相 （α＋β）钛合金，这类合金的力 学 性能 对于材料的微观组织和织构非常敏感 ，而 ［１２－１４］ 材料的微观组 织和织构往往取决 于 热 加 工 工 艺 。 ［１２，１５］ 对 于 化 学 成 分 已 经 确定的合金，想要 得 到 期 望 的 微 观 组 织 和 力 学 性 能，只 能 通
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＴＣ２１ｔｉｔａｎｉｕｍ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｄａｍａｇｅ ｔｏｌｅ－ ｒａｎｃｅ
０ 前 言
ＴＣ２１ 钛合金是我国自行研制的具有自主知 识产权的新 型高强 韧 损 伤 容 限 型 钛 合 金［１］，它 是 （Ｔｉ－Ａｌ－Ｓｎ－Ｚｒ－Ｍｏ－Ｃｒ－ Ｎｂ－Ｎｉ－Ｓｉ）八 元 系 的 两 相 钛 合 金，化 学 成 分 与 美 国 的 Ｔｉ６２２２２Ｓ相似。合金的铝当量为 ７％，β相稳定系数 为 ０．５， 加入 的 α 相、β 相 稳 定 元 素 均 较 多，合 金 的 相 变 温 度 为 （９５５±１０）℃。该合金室 温 强 度 可 达 １０５０～１１００ＭＰａ，断 裂 韧性可达７０ＭＰａ·ｍ１／２ 。 ［２］ 在 强 度、断 裂 韧 性、裂 纹 扩 展 抗 力、热稳定性的综合匹配方面不低于 Ｔｉ－１０２３合金，与美国的 Ｔｉ－６２２２２Ｓ合金相当甚至更好。钛合金的性能与它的 显 微 组 织结构有关联，而显微组织形貌与热 加工及 热处 理 工 艺 参 数 有密切关系。在不同的加热、冷却、变 形 及 应 变 速 率 条 件 下， 钛合金中呈现不同组织结构和相 组成，适当的热 处 理 可 控 制 相变并获得所希望的显微组织，从而改善合金的 力 学 性 能 和 工艺性 能。ＴＣ２１ 合 金 材 料 研 制 成 功 后，大 量 的 科 研 工 作 者 对 ［３－３７］ 其显微组织和相结构、力 学 性 能 及 损 伤 容 限 性 能 等 方面进行了研究。