适配航空发动机叶片机匣等关键部件的TC25G钛合金轧制棒材组织调控与力学性能保障研究——基于双重退火工艺改进

TC25G钛合金(名义成分为Ti-6Al-2Sn-4Zr-4Mo-1W-0.2Si)是一种马氏体型α+β两相热强钛合金，通过添加高熔点元素(如Mo、W)显著提升了高温强度和热稳定性，可在500~550℃下长期服役，广泛应用于发动机机匣、转子叶片等高温承力部件[1-2]。通常，钛合金材料的力学性能高度依赖其显微组织形态，而组织的演变与退火温度、冷却速率等热处理工艺参数密切相关。

目前，针对TC25系列钛合金的热处理研究多集中于锻件及板材。肖挺等[3]研究了双重退火冷却方式对 TC25钛合金锻件性能的影响,发现空冷可平衡室温与高温性能;张苗等[4]通过调控TC25钛合金板材退火温度使其组织由等轴状向双态转变，从而提升高温抗拉强度。轧制棒材作为航空发动机叶片用主要材料,其加工路径与锻件、板材存在显著差异,导致原始组织特征及后续热处理响应机制不同。研究表明[5],轧制棒材在热处理过程中易出现初生α相过度溶解或β相粗化现象，造成力学性能波动。因此，系统研究热处理工艺对TC25G钛合金轧制棒材组织与性能的影响，揭示其内在规律，进而优化热处理工艺，对保障材料服役性能具有重要意义。

本研究以TC25G钛合金热连轧棒材为对象，通过设计不同退火温度、保温时间、冷却方式的双重退火工艺,结合显微组织表征与力学性能测试,揭示热处理工艺参数对其显微组织及力学性能的影响规律，为TC25G钛合金轧制棒材的工程化应用提供理论依据，保障其在航空高温结构件中的可靠应用。

1、试验材料与方法

试验用材料为TC25G合金铸锭，经多火次锻造为Φ150mm坯料后，在α+β两相区加热并经热连轧生产线轧制为∅24mm棒材，主要化学成分见表1。采用金相法测得棒材的相变点T为985℃。轧制态棒材的原始组织为a+β两相区加工组织，所有原始β晶粒均完全破碎，β转变组织上均匀的分布着初生α相。

表1 TC25G钛合金化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical composition of the TC25G titanium alloy(mass fraction，%)

在轧制棒材上取L=150mm试样,利用RX-160kW箱式电阻炉(控温精度±3℃)按照表2中的热处理制度进行双重退火处理。依据GB/T5168-2020《钛及钛合金高低倍组织检验方法》,采用Axiovert 200MAT金相显微镜分析显微组织。将试样加工成R7标准试样,依据GB/T228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,利用CMT5105电子万能试验机测试力学性能。

表2双重退火工艺方案

Table 2 Double annealing process scheme

2、试验结果与分析

2.1一次退火温度对组织与性能的影响

TC25G合金轧制棒材在920~985℃x1h,空冷(AC)一次退火+550℃x4h,空冷二次退火后的显微组织如图1所示,相应的初生α相含量变化如图2所示。

图3为TC25G合金轧制棒材在920~985℃x1h，AC一次退火+550℃x4h,AC二次退火后的室温力学性能。由图3可知，随着一次退火温度的升高，抗拉强度和屈服强度均呈先下降再上升的变化趋势，伸长率和断面收缩率总体呈下降趋势，冲击吸收能量呈先升高后降低的变化趋势。在940℃进行一次退火后，抗拉强度为1099 MPa(指标要求≥1050 MPa),断面收缩率58%(指标要求≥20%),冲击吸收能量31.5J(指标要求≥24J),合金的强度、塑性及冲击性能匹配良好，且均能满足技术指标要求。

双重退火是通过分阶段温度调控α相和β相的形态、尺寸及分布，实现材料强度、塑性和韧性的协同优化。一次退火通过调控初生α相和次生片状α相的比例，从而改变合金的性能。退火温度越高，初生α相含量就越少，由β转变成的次生α相含量就越多[6]。在920~955℃退火时，随着退火温度的升高，初生α相含量减少，α相尺寸变大，细晶强化作用减弱，因此材料的抗拉强度下降。同时，随着退火温度的升高，次生α相含量增加，β相中出现了较多的次生α条束，条间界面阻碍了位错的滑移和裂纹的扩展，因此材料的塑性下降。在970~985℃退火时，由于退火温度接近相变温度，等轴初生α相几乎消失，形成粗大针状组织(见图2(d，e)),呈现β单相区与α+β双相区临界转变组织的典型特征[7]。由于针状a集束长宽比增大，从而通过界面强化提高了强度，但界面应力集中导致塑性和韧性恶化，因此材料的强度升高，但塑性和韧性降低。

2.2一次退火冷却方式对组织与性能的影响

TC25G合金轧制棒材在940℃保温1h,分别以空冷(AC)、油冷(OC)和水冷(WC)的冷却方式一次退火后，再经550℃x4h，AC二次退火后的显微组织如图4所示。由图4可知，不同方式冷却下合金中的初生α相含量基本相同，均在20%左右。随着冷却速度的增加AC<OC<WC合金中发生了马氏体相变,出现了六方马氏体或斜方马氏体[8-9]。空冷后的显微组织为初生α相+β转变组织,如图4(a)所示。油冷及水冷条件下显微组织为初生α相+亚稳态β相，如图4(b，c)所示。

图5为一次退火后不同冷却方式下TC25G合金的室温力学性能。由图5可以看出，随着冷却速度的增加,合金的抗拉强度和屈服强度均逐渐升高,如图5(a)所示。一次退火采用空冷方式冷却时,合金的抗拉强度为1099 MPa,采用水冷方式冷却时,合金的抗拉强度提升至1557 MPa,强度提高了约42%。随着冷却速度的增加，合金的塑性及韧性均呈下降趋势，如图5(b)所示。这是因为快速冷却会抑制β→a转变,促进亚稳β相的形成，同时提高位错密度并形成高密度相界面，这些因素共同增强了位错运动的阻力，从而提高合金强度，但亚稳相固有的低滑移系、高界面应力集中及位错缠结则显著降低塑性变形能力和裂纹扩展阻力，因此合金的塑性和韧性降低。

2.3二次退火温度对组织与性能的影响

TC25G合金轧制棒材经940℃x1h,AC一次退火后在530~630℃x4h,AC二次退火后的显微组织如图6所示。由图6可知，合金经过不同温度二次退火后的显微组织均为双态组织,初生α相含量均在20%左右，说明α相含量取决于一次退火温度的高低。随着二次退火温度的升高，初生α相尺寸略有增大，β相中次生a片层的宽度略微增加。另外，TC25G合金棒材在一次退火过程中大部分初生α相完成向β相转变,之后空冷形成初生α+β转变组织+亚稳态β相,亚稳态β相在热力学上为不稳定组织,在二次退火时会发生分解形成α2相,该相会对合金的力学性能产生影响。

TC25G合金轧制棒材试样经940℃x1h,AC一次退火和530~630℃x4h,AC二次退火后的力学性能如表3所示。由表3可以看出，随着二次退火温度的升高，合金的强度先降低后升高，而韧性和塑性先升高后降低，570℃二次退火时的强度最低，冲击吸收能量最高。双态组织的TC25G钛合金的力学性能与初生α相的晶粒尺寸、β转变组织中片层的宽度以及组织中α2相的含量密切相关[10]。在530~570℃二次退火时，随着退火温度的升高，初生α相的晶粒尺寸变大、β相中次生α片层的宽度增加,导致棒材的强度下降，冲击性能提高。在570~630℃二次退火时，由β相中析出α2相含量的增加产生的弥散强化作用显著增加，从而导致强度升高，韧性和塑性下降。综合考虑合金的强塑性及韧性匹配,选定940℃x1h,AC+570℃x4h,AC双重退火制度为TC25G合金轧制棒材的最佳热处理工艺。

表3 940℃一次退火1h,空冷+不同温度二次退火后TC25G钛合金的力学性能

Table 3 Mechanical properties of the TC25G titanium alloy after first annealing at 940℃ for 1 h, air cooling and second annealing at different temperatures

3、结论

1)TC25G钛合金轧制棒材经920~985℃x1h,空冷+550℃x4h,空冷的双重退火处理后,随着一次退火温度的升高,合金中等轴α相含量减少,抗拉强度、屈服强度先降低后升高，冲击吸收能量先升高后降低。

2)940℃x1h一次退火后采用空冷、油冷和水冷的方式进行冷却时,合金中初生α相含量基本不变,均为20%左右。随着冷却速度的增加,合金中发生了马氏体相变，强度升高而塑性及冲击性能降低。

3)随着二次退火温度在530~650℃范围内增加,合金中初生α相尺寸及β相中次生α片宽度略微增加，强度先降低后升高，冲击性能先升高后降低。

4)合金经940℃x1h,空冷+570℃x4h,空冷双重退火处理后,可获得较佳的强度(抗拉强度1075 MPa,屈服强度950MPa)、塑性(伸长率20.0%,断面收缩率58%)和韧性(冲击吸收能量34.5J)匹配。

参考文献:

[1]魏寿庸，王青江，何瑜，等.航空发动机用BT25和BT25y热强钛合金评述[J].钛工业进展，2013，30(4):9-14.

Wei Shouyong, Wang Qingjiang, He Yu, et al. Review of BT25 and BT25y titanium alloys for aero-engine[J]. Titanium Industry Progress,2013，30(4):9-14.

[2]黄旭，朱知寿，王红红.先进航空钛合金材料与应用[M].北京:国防工业出版社，2012.

[3]肖挺，马斌，宣航.一次退火冷却方式对TC25钛合金锻件组织与性能的影响[J].金属热处理,2024,49(10):118-120.

Xiao Ting, Ma Bin, Xuan Hang. Effect of first annealing cooling method on microstructure and properties of TC25 titanium alloy forgings[J]. Heat Treatment of Metals, 2024, 49(10): 118-120.

[4]张苗，强刚刚，关向东.退火温度对TC25钛合金板材组织和性能的影响[J].钛工业进展，2024,41(3):24-28.

Zhang Miao, Qiang Gannggang, Guan Xiangdong. Effect of annealing temperature on microstructure and mechanical properties of TC25 titanium alloy plate[J]. Titanium Industry Progress,2024,41(3):24-28.

[5]王晓巍，董宇，王德勇.退火对TC25G钛合金组织和性能的影响[J].金属热处理，2023，48(6):74-79.

Wang Xiaowei, Dong Yu, Wang Deyong. Effect of annealing on microstructure and mechanical properties of TC25G titanium alloy[J].Heat Treatment of Metals, 2023, 48(6):74-79.

[6]王晓燕，郭鸿镇，姚泽坤.双重退火对TC18钛合金等温锻件组织性能的影响[J].材料热处理学报，2009，30(1):100-103.

Wang Xiaoyan, Guo Hongzhen, Yao Zekun. Effect of duplex annealing on microstructure and properties of TC18 titanium alloy isothermally forged[J].Transactions of Materials and Heat Treatment,2009,30(1):100-103.

[7] Gerhard W, Boyer R R, Collings E W. Materials Properties Handbook:Titanium Alloys[M]. ASM International,1994.

[8]王媛，董健，关玉龙，等.TC25合金板材的热处理工艺[J].金属热处理，2016，41(1):94-96.

Wang Yuan, Dong Jian, Guan Yulong, et al. Heat treatment process of TC25 alloy sheets[J]. Heat Treatment of Metals,2016,41(1):94-96.

[9]史小云，张晓园，尚金金，等.热处理方式对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响[J].材料导报，2014，28(S1):417-418.

Shi Xiaoyun, Zhang Xiaoyuan, Shang Jinjin, et al. Effect of heat treatment mode on microstructure and mechanical property of TC25 titanium bar[J]. Materials Reports,2014,28(S1):417-418.

[10]周韬宇.α+β相区热机械加工对TC25G钛合金组织与性能影响研究[D].合肥:中国科学技术大学，2023.

Zhou Taoyu. Effects of thermal-mechanical processing in the α+β dual phase region on microstructures and mechanical properties of the TC25G titanium alloy[ D]. Hefei: University of Science and Technology of China,2023.

（注，原文标题：双重退火工艺对TC25G钛合金轧制棒材组织与性能的影响）