不同熱變形溫度下TC18鈦合金棒材微觀缺陷與力學響應特性研究，對比分析多工況鍛造后合金組織形貌與力學指標差異，明確兼顧高強高韌的最優鍛造溫度區間，為工業生產提供理論支撐

TC18鈦合金名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，材料具有高強度、高韌性和較好的淬透性等特點，是一種綜合性能良好的近β型鈦合金,常被用于飛機大型鍛件、操作系統、起落架及高負載承力航空結構件，在俄羅斯伊爾76等飛機上已被大量應用[1]。隨著我國航空航天材料領域的迅猛發展，航空航天器對于其結構件性能要求越來越高，尤其在高溫環境下鈦合金材料的性能穩定提升是航空航天技術發展的突破口。TC18鈦合金耐高溫、抗腐蝕及高強度等優異性能在航空航天等工業領域中的應用得到了廣泛關注。

近年來，陳素明等研究了退火工藝、等軸化熱處理工藝對TC18鈦合金組織及性能的調控，通過熱處理調整TC18鈦合金鍛件顯微組織中初生α相含量，以實現材料性能調控[2-4]。張永強等研究了不同模鍛溫度和熱處理對TC18鈦合金模鍛件顯微組織和力學性能的影響[5,6]。但未見對自由鍛造工藝對TC18棒材顯微組織及性能調控的相關研究。本文研究了在T（α-β）附近不同鍛造溫度對TC18鈦合金棒材顯微組織及力學性能的影響規律，為工業生產提供指導。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗所用原材料為φ700mmTC18鈦合金鑄錠，鑄錠經三次真空自耗熔煉而成，鑄錠化學成分見表1。鑄錠經開坯鍛造并在兩相區進行多火次鐓拔，充分破碎鑄態組織，獲得顯微組織由等軸初生α相+極少量的長條α相+β轉組成的TC18鈦合金棒材，棒材規格為φ300mm，采用金相法測得實驗用棒材相變點T（α-β）為865℃。

表 1 TC18 化學成分表（wt%）

1.2試驗方法

以φ300mm棒材為本次研究的實驗材料，在20MN快鍛機組上采用摔圓模旋轉步進壓下的方式鍛壓成型，通過均勻壓下實現鍛造過程，棒材整體變形量控制在25%，在棒材頭部取樣進行弦向和縱向力學性能測試，并在截面1/2R處取棒材顯微組織。坯料分別采用880℃、870℃、865℃和860℃四種加熱溫度（見表2），鍛造變形后對棒材進行復雜退火處理，熱處理制度為：

840℃/3h.FC+750℃/4h.AC+600℃/6h.AC

表 2 鍛造及熱處理試驗方案

熱處理后取樣檢測棒材力學性能及顯微組織。

2、結果與討論

2.1溫度對棒材低倍組織的影響

圖1所示為不同鍛造工藝方案TC18鈦合金棒材的低倍組織。結果顯示，四種變形溫度下棒材低倍組織均為半清晰晶，這主要是由于合金由單相區變形至鍛造結束鑄態組織不能夠充分破碎，在成品棒材上呈現出均勻的半清晰晶。另外，可以看出低倍組織上有條紋狀組織由中心向邊部呈放射狀，這鍛造方式關系密切，棒材經自由鍛造后部分組織不均勻受力，最后低倍片上反映出條紋狀組織。

2.2溫度對顯微組織的影響

圖2為不同溫度鍛造后經雙重退火熱處理的顯微組織。

圖2a為880℃相變點以上單相區變形的組織，圖2b、2c分別為870℃、865℃鍛造并雙重退火處理后的顯微組織，圖2d為860℃兩相區變形并經雙重退火熱處理的顯微組織。圖2a所示為單相區880℃變形時的顯微組織，由β基體+層片狀初生α相組成，晶粒內部初生α相互交織，并可見一定程度的不均勻，α叢排列在晶界上并沿一定方向生長，視場內可見相對平直且連續的晶界α。圖2b、2c中層片狀α相尺寸減小，分布密集，具有一定的均勻性，可見不連續的晶界α，且晶界發生扭折。當溫度降至860℃時，未見晶界α，且層片狀α相長度減小，未見明顯交織，且晶粒內部零星可見等軸狀α相分布。比較分析在單相區和兩相區下鍛造變形時的顯微組織（見圖2a、圖2d），單相區加熱后，坯料組織以β大晶粒為主，在進行塑性變形時，原始β晶粒隨金屬流動被壓扁拉長，由于變形相對均勻且變形速率較小，由坯料加熱提供再結晶驅動力，空冷時，會沿原始β晶界和晶內析出長條狀α相。坯料在兩相區加熱后，α相與β相同時變形，初生α相在變形過程中發生動態回復和再結晶，其形態為等軸α和長條狀α，β相經過變形后，首先在相界面及晶界處析出次生α，并在隨后的冷卻過程中長大，形成片狀和細條狀次生α。

從圖2中顯微組織還能看出，在兩相區加熱變形后顯微組織一致性比單相區加熱變形后顯微組織均勻，并存在少量等軸α，且隨著加熱溫度的降低，等軸α含量逐漸增多。

2.3溫度對室溫力學性能影響

不同變形溫度對TC18合金力學性能影響如表3所示。

表 3 不同變形溫度對室溫力學性能影響

結果表明，隨著變形溫度的降低，棒材縱向抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率呈先升后降的趨勢，在865℃時棒材縱向、橫向室溫拉伸性能最好，分別為縱向室溫拉伸強度1172MPa、縱向室溫屈服強度1095MPa，縱向延伸率14.5%，縱向斷面收縮率38%，橫向室溫抗拉強度1179MPa，橫向室溫屈服強度1094MPa，橫向延伸率11%，橫向斷面收縮率21%。組織決定性能，隨變形溫度降至兩相區時晶內出現等軸α，晶粒內部分布的細小片狀α相強化作用降低，試樣抗拉強度降低，塑性增加[7]。在單相區變形后，棒材抗拉強度沒有明顯升高，但材料塑性明顯低于兩相區變形時的塑性，這主要是存在連續平直的晶界α。

從表3中還可以看出，斷裂韌性隨變形溫度降低而逐漸降低，其性能與顯微組織組成聯系密切，在單相區加熱，顯微組織中晶內α相尺寸不僅小而且排列緊密，內部呈彌散狀分布，其中交織的片狀α相增加相界面，使得合金強度與抗蠕變性能得以提高，在裂紋擴展時α集束和片狀α存在不同位向，受到應力時，從而使裂紋擴展的路徑與方向較多，斷裂韌性較高。其次網籃組織中斷裂特征是呈延性穿晶和沿晶共存的特性，材料內部的斷裂特性使晶粒變形耗費更多的能量，因而這兩種特性起協同作用的阻滯機理主導了網籃組織的韌度[8]。

另有研究表明網籃組織的斷裂韌性比雙態組織高，原始β晶粒長大、晶界α尺寸變形和晶內較多的片狀α相形成都會提高斷裂韌性，在兩相區變形時，顯微組織中等軸α相逐漸增多，α相緊密程度減小，彌散強化作用較弱，另外位錯線分布均勻、滑移帶間距減小，斷裂韌性減小[9]。

3、結論

（1）在T（α-β）-5℃至T（α-β）+15℃溫度范圍內加熱鍛造，可以得到網籃組織的TC18鈦合金棒材。當變形溫度高于相變點時，顯微組織中存在斷續或連續的晶界α，晶內α相尺寸不均勻。當變形溫度低于相變點時，顯微組織中存在等軸α和細小的次生α，且相尺寸相對均勻。

（2）隨著變形溫度降低，棒材顯微組織形貌改變，晶界α消失，棒材斷裂韌性降低。當變形溫度在865℃時，棒材縱向、橫向室溫力學性能強塑性匹配最優。

參考文獻：

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（注，原文標題：變形溫度對TC18鈦合金棒材組織及性能影響_郝璟珂）