鈦及鈦合金具有強度高、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)磁性等眾多優(yōu)異性能，導致其在眾多領(lǐng)域都有十分廣泛的應用，例如：海洋工程、石油勘探、化學(xué)化工、航天航空等領(lǐng)域[1]。TC18鈦合金為一種十分常見(jiàn)的高強高韌鈦合金，其名義成分是Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，因為該合金具有良好的力學(xué)性能，所以其在飛機起落架、飛機承重梁等大型承力結構件中有十分廣泛的使用[2]。
因為T(mén)C18鈦合金的廣泛使用，國內外學(xué)者對該合金的研究同樣十分廣泛，熊智豪等[3]對TC18鈦合金棒材進(jìn)行了多火次鍛造加工，對“高-低-高-低”工藝進(jìn)行分析，得出了該合金在多火次鍛造加工中β相的織構演變規律。朱雪峰等[4]對TC18鈦合金在單相區固溶后出現的黑斑進(jìn)行分析，發(fā)現這是由于未完全再結晶β晶粒內的亞晶以及位錯所致。
雖然目前對TC18鈦合金的研究是十分廣泛，但大多數以鍛造加工為主，相比于鍛造加工，熱處理具有高效、快捷、方便等優(yōu)點(diǎn)，故本文選擇直徑為400mm的大規格TC18鈦合金棒材，對其進(jìn)行熱處理，研究熱處理、微觀(guān)組織、力學(xué)性能三者之間的關(guān)系，為大規格TC18鈦合金棒材在實(shí)際工程中的應用作出相應參考。
1、試驗材料與方法
選用直徑為400mm的大規格TC18鈦合金棒材作為試驗材料，棒材經(jīng)三次真空自耗熔煉爐熔煉并經(jīng)多火次鍛造而成，對試驗用棒材進(jìn)行化學(xué)成分測試，測得棒材具體化學(xué)成分為：5.1％Al、5.1％Mo、4.8％V、0.9％Cr、0.8％Fe、Ti余量。
采用金相法對試驗用棒材進(jìn)行相變點(diǎn)檢測，測得棒材相轉變溫度為880～885℃。隨后將試驗用TC18鈦合金棒材進(jìn)行切割加工，從切割完成的試樣中進(jìn)行取樣加工，觀(guān)察棒材金相組織，并測試棒材拉伸性能與沖擊性能，其中金相組織觀(guān)察使用型號為ＡｘｉｏｍａTiｃ型光學(xué)顯微鏡，拉伸性能測試使用Ｉｎｓｔｒｏｎ型電子萬(wàn)能試驗機，沖擊性能測試使用ＤＪＫ-1型試驗機測試。
2、試驗結果與討論
2.1原始鍛態(tài)組織
棒材原始鍛態(tài)金相組織如圖1所示，由圖1可得，棒材橫向以及縱向金相組織十分接近，并無(wú)明顯差異，棒材原始鍛態(tài)金相組織由粗大β晶粒組成，存在明顯晶界，在晶界附近有細小α相存在，在粗大β晶粒內部同樣存在較多細小α相，經(jīng)測試組織中平均晶粒尺寸為0.4603mm，最大晶粒尺寸為1.255mm。
2.2熱處理后金相組織
使用箱式電阻爐對試驗用TC18鈦合金棒材進(jìn)行熱處理，具體熱處理制度為835℃／2ｈ爐冷至７50℃／2ｈＡＣ＋620℃／4ｈＡＣ，其中ＡＣ表示室溫冷卻，合金經(jīng)熱處理后的橫向與縱向金相組織如圖2所示，由圖2可知，合金橫向與縱向金相組織相差較小，經(jīng)熱處理后的金相組織主要由晶界α與次生α相構成。原始鍛態(tài)組織中的粗大晶粒在鍛造過(guò)程中發(fā)生扭轉、拉長(cháng)、破碎，隨后在第一階段（835℃／2ｈ爐冷至７50℃／2ｈＡＣ）加熱過(guò)程中，組織內會(huì )發(fā)生再結晶，鍛造加工時(shí)形成的破碎晶粒會(huì )轉變成位錯密度較低的小晶粒，釋放變形儲能，在７50℃保溫過(guò)程中，在原始晶界位置的小晶粒會(huì )逐漸長(cháng)大，故組織中出現晶界α。同時(shí)可以發(fā)現，組織中可見(jiàn)明顯的β轉變組織，合金在經(jīng)歷620℃／4ｈＡＣ的第二次退火處理后，會(huì )提高組織的穩定性，同時(shí)組織中的亞穩定β相會(huì )進(jìn)行分解，析出長(cháng)條狀的次生α相，與晶界α構成β轉變組織。
2.3熱處理后力學(xué)性能
合金經(jīng)加熱處理后的力學(xué)性能見(jiàn)表1，由表1可知，合金橫向與縱向力學(xué)性能較為接近，無(wú)明顯差異，說(shuō)明TC18鈦合金棒材均勻性良好，無(wú)明顯各向異性。在拉伸性能方面，分別測試棒材的抗拉強度（Rm），屈服強度（Rp0.2），斷后延伸率（Ａ）以及斷面收縮率（Ｚ），可以發(fā)現，合金在具有較高強度同時(shí)，并具有較好的塑性，這是由于合金經(jīng)熱處理后，組織中包含大量的細小次生α相，導致拉伸過(guò)程中位錯的滑移距離減小，大量細小次生α相會(huì )增加組織中位錯線(xiàn)的密度以及均勻性，在晶界處形成的位錯塞積減小，這會(huì )推遲在拉伸過(guò)程中空洞的生長(cháng)，導致在發(fā)生斷裂前期，拉伸試樣會(huì )產(chǎn)生較大形變，導致合金塑性較高[5]。在沖擊性能方面，測試棒材的沖擊吸收功（Ｊ）與沖擊韌性（J/cm2），可以發(fā)現，棒材橫向與縱向沖擊性能接近，差異較小。通常情況下，影響合金沖擊性能的因素主要有組織內部裂紋開(kāi)動(dòng)以及裂紋延伸所需要的能量，故合金組織的抗裂紋開(kāi)動(dòng)以及抗裂紋延伸能力是影響合金沖擊性能的本質(zhì)[6]，TC18鈦合金棒材在測試沖擊性能時(shí)，會(huì )受到組織中α相的形貌尺寸以及含量的影響，沖擊裂紋通常在α／β相界處或者α／β晶粒的晶界產(chǎn)生。
因為合金經(jīng)熱處理后，組織中含有大量次生α相，當裂紋形成并進(jìn)行擴展的過(guò)程中，裂紋擴展的尖端在與次生α相相遇時(shí)，裂紋擴展的方向會(huì )產(chǎn)生偏移，順著(zhù)次生α相的位向方向擴展，由于組織中次生α相含量較多且 錯排列，會(huì )導致裂紋發(fā)生不連續擴展，增加擴展路徑長(cháng)度，導致合金的沖擊吸收功與沖擊韌性較高[8]。
2.4斷口微觀(guān)形貌
棒材拉伸性能與沖擊性能的斷口微觀(guān)形貌如圖3所示，在拉伸性能方面，圖3ａ、圖3ｂ分別為橫向與縱向的拉伸斷口微觀(guān)形貌，二者的斷口微觀(guān)形貌均以等軸狀韌窩為主，韌窩尺寸較大且深度較深，韌窩的形貌會(huì )反應合金的塑性性能，當韌窩數量較多且深度較深時(shí)，合金的塑性較高，反之亦然[７]。
由圖3ａ、圖3ｂ可知，該棒材具備較好的塑性，且抵抗裂紋擴展的能力較差，容易滿(mǎn)足拉伸過(guò)程中裂紋擴展所需要的條件，組織內部的裂紋在擴展過(guò)程中，即可順著(zhù)晶界處發(fā)生擴展，也可進(jìn)行穿晶擴展，宏觀(guān)體現為棒材塑性較好。在沖擊性能方面，圖3ｃ、圖3ｄ分別為橫向與縱向的沖擊斷口微觀(guān)形貌，二者的斷口形貌同樣是以等軸狀韌窩為主，這與拉伸過(guò)程中裂紋擴展路徑相近，沖擊斷口微觀(guān)形貌的韌窩起到吸收能量的效果，韌窩的深度與尺寸能體現出合金在受到?jīng)_擊應力時(shí)的狀態(tài)和組織中裂紋的擴展性，同時(shí)體現出合金裂紋擴展路徑的曲折程度，當韌窩較多且尺寸較大時(shí)，合金的沖擊吸收功與沖擊韌性較高[8]。
3、結論
1.棒材的原始鍛態(tài)金相組織由粗大β晶粒組成，存在明顯的晶界，在晶界附近有細小α相存在，在粗大β晶粒內部同樣存在細小α相，經(jīng)熱處理后，組織中出現了由顆粒狀形成的晶界α。
2.經(jīng)熱處理后，棒材的橫向與縱向力學(xué)性能較為接近，無(wú)明顯各向異性。
3.拉伸性能與沖擊性能斷口微觀(guān)形貌均以等軸狀韌窩為主，韌窩尺寸較大且深度較深。
參考文獻：
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