退火工艺对钛合金性能有哪些影响？

TC16钛合金是21世纪初中国在俄制BT16钛合金成分设计基础上开发的一种具有良好工艺塑性的 钛合金材料，属于 α+β 两相钛合金，名义成分为 Ti‒3Al‒5Mo‒4.5V，相变点在 840～880 °C，β 稳定 系数为 0.83，具有高塑性、高强度、良好淬透性、 优异的冷镦成型性，同时具有抗疲劳和焊接性能好，对应力集中敏感性小等优点。

一架中型飞机 (如国产C919) 所用的紧固件的总重量可占飞机总质量的5%~6%，可达200万到300 万个[3]。图1为 TC16 钛合金紧固件及 C919 飞机。

　　TC16 钛合金常以冷镦热处理的方式进行强化， 故要求材料在退火态具良好的塑性，固溶时效态具有较高的强 度 。对比俄制BT16钛合金， 国产TC16钛合金具有与其相当的力学性能和工艺塑性， 但是冷镦工艺还不够成熟，无法实现量化生产。研究表明，材料的冷镦变形能力与塑性、剪切强度及组织有关。

　　本次实验所用材料是经多次次真空自耗熔炼的TC16合金铸锭，坯料经自 由锻+精锻、粗轧+连轧等工序生产至 ϕ8.0 mm 线 材盘圆，其 α+β/β相转变温度为856 °C。图 2 为TC16钛合金 ϕ8.0 mm棒材轧制态显微组织，由图2可以看出，棒材原始组织为细小的等轴初生+马氏体α′′+β基体构成，原始β晶界已完全破碎，初生α相体积分数约为50%，且α相为短棒状、针状和 颗粒状。另外，显微组织中存在少量片层状的马氏体 α′′，这与轧制工艺及轧后冷却方式有关。

　　在TC16钛合金ϕ8.0mm盘圆线材上取样，按照表1中的实验方案进行退火和固溶时效热处理实验，研究不同退火工艺和固溶时效工艺对棒材退火态及固溶时效态显微组织和力学性能的影响，其 中，FC为炉冷;AC为空冷;WQ为水淬。试样经热处理后依据GB/T 228.1—2021《金属材料室温拉 伸实验方法》加工、检测室温力学性能，依据GB/T5168 —2020《α-β 钛合金高低倍组织检验方 法》中的方法加工、腐蚀后，并检测、分析其显微组织。

　　其中方案A1～A4研究不同退火温度对棒材退火后显微组织及室温力学性能的影响，方案B1～ B3研究不同固溶温度对棒材固溶时效态组织性能的影响，方案 B2、B4、B5、B6 研究不同时效温度对 棒材固溶时效态组织性能的影响。

　　图3为TC16 钛合金棒材不同退火温度随炉冷却后的显微组织，由图3可以看出随退火温度的升高，显微组织中初生α相的含量逐渐减少，晶粒逐渐长大。图3(a) 和3(b) 分别为试样在760和780 °C 退火后的显微组织，为α相和β相组成的弥散混合组织，平均晶粒大小为1.22μm。图3(c)和3(d)分别为试样在800和820 °C退火后的显微组织，由等轴初生α相与局部片层状的次生α′′相及β基体组成，与图 3(a)和3(b)相比，图3(c)和3(d)中的晶粒明显长大，局部出现少量片层组织，平均晶粒尺寸由原来的1.22增加至1.33μm。

　　图4为不同退火温度对TC16钛合金棒材室温性能的影响。

　　由图4可以看出，随退火温度的升高 (随后慢 冷) 棒材抗拉强度、屈服强度、剪切强度均逐渐降 低，伸长率逐渐升高，断面收缩率先升高再降低。原因为在α+β两相区退火时棒材发生了回复与再结 晶，退火温度越高再结晶后晶粒越粗大，棒材强度越低。在 780 °C 时棒材抗拉强度达到了840MPa， 断面收缩率达到了最大值 74%，研究表明断面收缩 率与材料冷镦性能成正相关，因此，在选择TC16钛合金退火工艺参数时要充分考虑到这一点，兼顾材料强度与塑性，特别是保证TC16钛合金棒材的供货 状态工艺性能—冷镦性能[5]，因此，TC16合金棒材最佳退火制度为780 °C保温2h，以 2～4 °C/min 炉冷至550 °C以下，空冷。

　　图5为不同固溶温度固溶时效处理后的TC16钛合金棒材显微组织，图中白色颗粒为初生α相，黑色部分为β基体(包括淬火保留下来的亚稳定β相和α′′相)。

　　图6所示为不同固溶温度固溶时效处理后的TC16钛合金棒材室温力学性能，可以看出，随着固溶温度升高，棒材固溶时效态的抗拉强度、屈服强度、剪切强度均升高，伸长率降低，断面收缩率先 升高再降低。在800 °C时棒材断面收缩率达到了最高值 74%，抗拉强度达到了1098 MPa，剪切强度达758MPa，强度与塑性达到了最佳匹配，故TC16钛合金棒材的最佳固溶制度为 800 °C保温2 h， 水淬。

　　图7所示为不同时效温度固溶时效处理后的TC16钛合金棒材显微组织，由图7可以看出，随着时效温度升高，固溶过程中保留的亚稳定β相转变而形成的质点的弥散程度也各不相同，520 °C时效从亚稳定β相分解的第二相比较弥散，如图7(a) 所 示。随着时效温度的升高，弥散析出的第二相质点开始聚集，如图7(c) 和7(d) 所示，研究表明TC16 钛合金亚稳定相分解从350～400 °C开始，500 °C 时效后亚稳定β相完全分解，但稳定化β相的钼、 钒含量比在较低温度下得到平衡的β相的少[1]。

　　图8为时效温度对TC16钛合金棒材固溶时效态室温力学性能的影响，由图8可以看出，随着时效温度的升高，棒材的抗拉强度、屈服强度、剪切强度逐渐降低，伸长率逐渐升高，断面收缩率先升高 后降低。

这是因为时效时亚稳定β相分解引起时效强化，但随着固溶温度从 520升高至580 °C弥散析出的质点发生了较大程度的聚集，使得强度逐渐降低，塑性升高。时效温度为560 °C时棒材的断面收缩率达到了最高值74%，抗拉强度达到了1098 MPa， 剪切强度达到了 758 MPa。

因此，800 °C固溶后经560 °C保温8h时效，可以使TC16钛合金棒材强度和塑性达到最佳匹配。

　　(1)TC16钛合金棒材在退火后以 2～4 °C/min 炉冷的冷却速度不变的情况下，随退火温度的升高， 组织中初生α相含量减少、平均晶粒尺寸增加，棒材的抗拉强度、屈服强度、剪切强度均降低，伸长率略有升高，断面收缩率先升高后降低。780 °C 退火后棒材的断面收缩率达到了最高值。

　　(2) 在时效温度不变的情况下，随固溶温度的升高，TC16合金棒材固溶时效后组织中初生 α 相含量减少，次生相含量增加，室温拉伸强度、剪切强度升高，伸长率降低，断面收缩率先升高再降低，在800 °C时达到了最高值。

　　(3) 在固溶温度不变的情况下，随着时效温度的升高，TC16合金棒材组织中的弥散析出的第二相开始聚集，室温拉伸强度、剪切强度降低，伸长率升高，断面收缩率先升高再降低。经“800 °C 保温 2 h，水淬+560 °C保温8h，空冷”固溶时效处理后棒材抗拉强度达到了1100 MPa，断面收缩率达到了74%，强度和塑性达到了最佳匹配，为TC16钛合金棒材的最佳固溶时效制度。