【摘要】 

引言

TC19钛合金是一种高铝含量的马氏体型α+β两相热强钛合金，名义成分为Ti－6Al－2Sn－4Zr－6Mo，Kβ=0.6，是在Ti－6242合金成分基础上提高β稳定元素Mo，β相稳定性较好，能更充分地发挥热处理强化效果，是一种高强度、高韧性钛合金，添加Sn和Zr增强了Mo的稳定特性，使该合金的相变行为变得十分缓慢。该合金的淬透深度可达76mm，具有较好的综合性能，但该合金锻态棒材由于组织不均匀，残余应力大，导致性能不稳定，本文通过研究不同固溶温度和时效温度对其显微组织及室温力学性能的影响，并对不同固溶冷却方式及时效时间下的组织和力学性能差异进行对比，以获得棒材强度及塑性最佳匹配的热处理工艺，为该合金的批量稳定生产提供一定的参考。

1 试验材料及方法

合金制备选用一级海绵钛，合金元素Al，Sn，Mo分别以铝豆、Ti－Sn、Al－Mo中间合金的形式加入，Zr以99.7%纯度锆屑加入。经混料，电极压制等过程后3次VAR熔炼，制备Φ220mm铸锭，各合金元素及杂质元素含量见表1。

将铸锭加热到1150℃后在1600t快锻机开坯，再经3火次快锻及2火次精锻，得到Φ36mm棒材。采用升温金相法测得Tβ为960±5℃，以此为基准制定了热处理方案见表2。

热处理设备采用Ⅰ级精度箱式电阻炉，采用ZEISS Supra55扫描电镜对固溶态及时效态的显微组织进行观察，采用INSTＲON5582万能材料试验机测定所取试样的力学性能。

2 试验结果及讨论

2.1 固溶温度对显微组织及力学性能的影响

锻态TC19合金的显微组织为典型的α+β两相组织(即变形拉长的初生α相+β转变基体及次生α相)，如图1a所示;

经830℃、860℃和890℃保温1h空冷固溶后的棒材显微组织如图1b、图1c、图1d所示。由于该合金含有较多的β稳定元素Mo，在两相区固溶时，β相的晶格转变阻力较大，发生了静态再结晶及α→β转变，其显微组织为初生α相、马氏体α'、α″以及亚稳态β相。随着固溶温度的升高，β相比例增加，冷却后，亚稳态β相含量相应地增加，而初生α相含量不断减少，且α晶粒尺寸略微减小，并呈球化趋势。

经表2中A2、B2、C2方案固溶+时效处理后，TC19钛合金棒材强度和塑性的变化如图2所示，

随固溶温度的升高，强度Ｒm和Ｒp0.2均不断增大，而塑性指标A和Z均呈现下降趋势，断面收缩率降幅明显，结合图1b～图1d，分析认为，TC19钛合金棒材在两相区固溶处理后，随固溶温度的升高，β相的比例增加，快速冷却后，显微组织中的亚稳态β相的相对含量就多，当成分为临界浓度时，快速冷却获得最多的亚稳态β相，时效处理后，强化效果最好。

2.2 时效温度对显微组织及力学性能的影响

固溶+时效处理后，其显微组织为分布在β相基体间的球状初生α及弥散在β相中的细小α析出相，这是因为在时效过程中，固溶时得到的亚稳β相及马氏体相发生分解，得到弥散的次生α相和残留β相。转变过程比较复杂，但最终产物为α+β相。经表2中B1、B2、B3热处理方案处理后，不同时效温度对其显微组织的影响如图3所示，

随着时效温度的升高，组织中初生α相含量变化较小，但析出的次生α相明显增加，针状组织长大变粗，晶界处与初生α相产生较大程度的聚集。

TC19棒材经表2中B1、B2、B3方案处理后，不同时效温度对TC19钛合金棒材强度和塑性的影响如图4所示。

随着时效温度的升高，强度Ｒm和Ｒp0.2先升高后降低，塑性指标A和Z均呈现上升趋势，但伸长率上升幅度较小。TC19钛合金在时效过程中，亚稳态β相和马氏体相发生分解，得到弥散的α相和残留β相，如图3所示，温度较低时，析出物颗粒尺寸细小而分散度大，此时合金的强度较高塑性较低。当时效温度升高至570℃，析出相尺寸有所长大，但程度较小，此时综合性能达到最佳。时效温度继续升高，析出相逐渐长大、球化程度增加，弥散强化效果减弱，塑性逐步提高。

2.3 不同固溶冷却方式时显微组织及力学性能比较

经表2中B1、B1－WC两种固溶冷却方式处理后，其显微组织差异如图5所示，

水冷条件下，更多的亚稳态β相基体被保留，初生α相含量较空冷时更少，但等轴化程度更高，α晶粒尺寸更均匀细小。

经540℃×4h，AC时效处理后，其力学性能的对比结果如图6所示。

经水冷处理后的试样，其抗拉强度显著提高，由1358MPa提高到1438MPa，断面收缩率由39%下降至27%，降幅较大;屈服强度升高，伸长率下降，但升降幅度均较小。

2.4 不同时效时间时显微组织及力学性能比较

图7为表2中B1及B1－8h固溶时效后的显微组织，

对比可知，延长时效时间，α相粒子等轴化程度增加，尺寸略有增大，弥散在β基体中的针状次生α相增多，且略有粗化。

经表2中B1及B1－8h固溶时效后的力学性能差异如图8所示，

经8h时效后的试样，其强度Ｒm、Ｒp0.2有小幅度提高;塑性A、Z降幅较大;可能的原因有:时效温度较低时，延长时效时间，亚稳态β相的分解更充分，起强化作用的弥散α相含量增加;也可能是有脆性化合物析出，随着时效时间的延长，析出数量增加，导致强度增加，塑性降低。

3 结论

1. 时效温度一定时，随固溶温度的升高，强度Ｒm、Ｒp0.2提高，伸长率和断面收缩率减小;固溶温度一定时，随时效温度的升高，强度Ｒm、Ｒp0.2先有所升高，之后大幅下降，伸长率和断面收缩率增大。

2. 固溶后冷却速度较快及延长时效处理时间时，试样均呈现出强度提高，塑性下降的规律。

3. 热处理工艺为860℃×1h，空冷+570℃×4h，空冷时，棒材强度与塑性达到最佳匹配。此时的Ｒm、Ｒp0.2分别达到1365MPa和1270MPa，伸长率和断面收缩率分别为14%和44%。