热处理制度对TC21钛合金锻件组织及力学性能的影响.pdf

第 2 8 卷第 9 1 0期 2 0 0 9年 1 0月 中国材料进展 MATERI ALS CHI NA Vo l I 2 8 No 9 一l O 0c t 2 0 0 9 热处理 制度对 T C 2 1钛 合金锻 件 组织 及 力学性 能 的影 响 张利军 ，田军强 ，周 中波 ，寇宏超 ，朱知寿。 ( 1 西北工业大学超晶科技发展有限责任公司，陕西 西安 7 1 0 0 1 6 ) ( 2 西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ) ( 3 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，北京 1 0 0 0 9 5 ) 摘 要 ：研究了热处理制度对 T C 2 1 钛合金锻件显微组织及室温、高温力学性能的影响，并与目前 我 国大量使用 的 T C 1 l热强钛合金 的同类锻件作 了对 比试验 。研究表 明，常规锻造工艺生产 的 T C 2 1 钛合金锻件 ，随着 固溶温度的升高 ，显微组织 中初 生 相含 量降低 ，室温塑性也随之变差 ，但高 温 抗拉强度 、高 温持 久性能等随之升高 ，高温 塑性变化不明显 。通过 常规锻 造工艺加上合理的热处 理 制度 ，可获得适 于高温环境使用 的综合性能优 异的 T C 2 1钛合金锻件 。 关键词 ：T C 2 1 钛合金锻件 ；热处理；显微组织；力学性能 中图分 类号 ：T G 1 4 6 2 3 文献标识码 ：A 3 文章编号：1 6 7 4 3 9 6 2 ( 2 0 0 9 ) 0 9 0 0 8 4 0 4 张 利军 Ef f e c t s o f He a t Tr e a t m e nt o n M i c r o s t r uc t ur e s a nd M e c h a n i c a l Pe r f o r ma nc e s o f T C2 1 Ti t a ni um Al l o y Fo r g i n g s Z H A N G L i j u n ，T I A N J u n q i a n g ，Z H O U Z h o n g b o ，K O U H o n g c h a o ，Z HU Z h i s h o u 。 ( 1 X i a n S u p e r C r y s t a l S c i T e c h D e v e l o p m e n t C o ，L t d ，X i a n 7 1 0 0 1 6 ，C h i n a ) ( 2 S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f S o l i d i fi c a t i o n P r o c e s s i n g ，N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c al U n i v e r s i t y ，X i a n 7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) ( 3 B e i j i n g I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l M a t e r i a l s ，B e ij i n g 1 0 0 0 9 5，C h i n a ) Ab s t r ac t ：T h e e ff e c t s o f h e a t t r e a t me n t s o n t h e mi c r o s t r u e t u r e a n d me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f T C 2 1 t i t a n i u m a l l o y f o r g i n g s we r e i nv e s t i g a t e d a n d d i s c u s s e d， a nd c o n t r a s t t e s t s o n h i g h t e mp e r a t ur e me c h a ni c a l p r o pe r t i e s b e t we e n TC21 a l l o y a n d TC1 l a uo y whi c h i S wi de l y us e d a t p r e s e nt ， we r e e a r r i e d o u t The r e s ul t s s h o we d t ha t t h e a mo u nt o f pr i ma r y 0 L pha s e a nd t he p l a s t i c i t y o f TC21 mi e r o s t rn e t ur es d e c r e a s e d wi t h t h e i nc r e as e o f s o l ut i on t r e a t me n t t e mp e r a t u r e Ye t t he hi g h- t e m pe r a t u r e t e n s i l e s t r e ng t h a nd hi g h p e r ma ne n c e pr o p e rty i nc r ea s e d， a nd t h e h i g h t e mp e r a t ur e p l a s t i c i t y ha d no o bv i o u s c ha n g e By c o n v e n t i o na l f o r g i n g pr o c es s wi t h r e a s o n a b l e h e a t t r e a t me n t s c h ed u l e s，t h e i n t e g r a t e d TC21 t i t a ni um f o r g i n g s a r e s u i t a b l e f o r h i g h t e mp e r a t ur e e n v i r o nme n t Ke y wo r d s：T C 2 1 t i t a n i u m a l l o y f o r g i n g s ；h e a t t r e a t me n t ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p e r f o rm a n c e s 1 刖 舌 钛合金是飞机和发动机的主要结构材料之一 ，对于 减轻飞机 的重量 ，提高飞机推重比，增加飞行距离和减 少燃料费用等都有十分重要的意义。随着我国航空航天 事业的迅速发展 ，对飞行器结构材料的需求更突出地集 中于轻质 、高强、高韧、高模量，特别是对高损伤容限 钛合金的需求 日 益迫切 。 收稿 日期 ：2 0 0 90 7 2 8 通信作者 ：张利军 ，男 ，1 9 8 1年生 ，助理工程 师 T C 2 1 钛合金是我 国自行研制 的一种 + 型 T i - A l s n Z r Mo C r N b X系高 强、高韧、损 伤 容 限型钛 合 金 。 J 。 目前，该合金已经成功应用于我国的新一代飞 机机体结构承力件中，由于飞机机体结构件工作环境温 度较低 ，所以 目前对于该合金的研究多集中于室温性能 与组织关系方面，而对 其高温性能 的研究进行的很少。 为了进一步拓展 T C 2 1 钛合金的使用领域 ，使其 向更高 的使用温度扩展 ，本文利用热处理工艺影响组织 ，而组 织又与性能密切相关这一原理 ，通过制订不 同的热处理 制度研究了 T C 2 1钛合金锻件的显微组织 、室温力学性 第 9 1 0 期 张利军等 ：热处理制度对 T C 2 1 钛合金锻件组织及力学性能的影响 8 5 能、高温力学性能的变化规律 ，并将实验结果与 目前我 国使用范围较为广 泛的 T C 1 1 热强钛合金 进行 了对 比， 为该合金在中高温结构件 中的应用提供实验数据 。 2实验 材料及 方法 2 1 实验 材料 生产锻件的 T C 2 1 钛合金铸锭 由西部超导材料科技 有限公 司提供 。将铸锭在 区和 ( + 卢) 区多火次锻造 成为 4 3 0 0 m m大规格棒材 ，用金相法测定 的该合金 的 相变点 ( + 3 3 ) 为 9 6 5 9 7 0 o C。 棒材按规定长度锯切下料后 ，采用 电炉在相变点下 ( + ) 2 0 4 0 范围 内加热并保 温一定 时间后 ，按 锻件图要求出炉锻造。 2 2 实验方法 T C 2 1钛合金锻件锻造完成后 ，从锻件本体上 切取 试样并按选定的 4种热处理制度进行热处理 。4种热处 理制度如下 ， A：固溶 9 0 0 o C2 h ， B：固溶 9 1 5 2 h ， C：固溶 9 3 0 2 h ， D：固溶9 4 5 o C2 h， ( 注 ：AC表示空冷) T C 2 1钛合金锻件试样 经热处理后 ，分别进行 了显 微组织观察 、室温力学性 能测试 、高温力学性 能测试 等 。显微组 织观察 在 O L Y MP U S P MG 3型光学 显微镜 上进行 ，金相腐蚀 剂采用配 比为 V( HF) ： V ( HN O， ) ： V ( H， 0)=1 ： 2 ： 5 0的 K r o l l 试 剂 ；室温 拉伸 性能 、高 温 拉伸性能测试在 I NS T R ON 5 5 8 1型电子万能材料试验机 上进行 。 3实验结 果与分 析 3 1 热处理制度对 T C 2 1钛合金锻件组织结构 的影响 T C 2 1钛合金锻件经不 同热处理制度 处理后 组织结 构如图 1所示。 图 1 不 同热处理制度对 T C 2 1合金锻件 显微组织 的影 响 F i g 1 T h e mic r o s t r u c t u r e s o f T C 2 1 t i t a n i u m a l l o y f o r g i n g s a f t e r d i f f e r e n t h e a t t r e a t me n t c o n d i t io n s ：( a ) h e a t tr e a t m e n t A， ( c ) h e a t t r e a t me n t C，a n d( d ) h e a t tr e a t me n t D 从图 1 可 以看 出，T C 2 1钛合金锻件在 ( + ) 转 变温度以下进行固溶 +时效处理后 ，显微组织 由不同含 量的初生 O 相和转变 相组成 ，其中初 生 0 f 相呈球形、 椭 圆形、橄榄形、长条形 ，是典型的混合组织。分析表 明，分别经 9 0 0 ，9 1 5 ，9 3 0 ，9 4 5 o C固溶并 5 9 0时效 后试样 的显 微 组 织 结 构 中，测 得 的初 生 O 相 含 量 ( ) 分别约 为 5 0 、4 0 、3 5 、1 5 ，其 初生 相含量与固溶温度的关系如图 2所示 。 从图 1 、图 2可以看 出，随着 固溶 温度的升 高，组 织中初生 e L 相的含量显著降低 ，而转变 相含量显著增 加。也就是说合金在相变点以下加热时 ，随着加热温度 的升高 ，组织结构 中 O 相逐步向 相转变 ，从图 2也可 以看出，温度越高 ，转变速度越 快，即越接近相变点 ， e l 相对温度越敏感 。 3 2 不 同热处理制度对 T C 2 1钛合金锻件室温力学性 能的影响 T C 2 1 钛合金锻件经不 同制度热处理后室 温力 学性 能测试结果见图 3 。 C C C C A A A A h h h h 4 4 4 4 0 0 O 0 9 9 9 9 5 5 5 5 效 效 效 效 时 时 时 时 C C C C A A A A 8 6 中国材料进展 第 2 8卷 蓬 d 5 秀 u