退火温度对TC25钛合金板材组织和性能的影响

TC25（Ti-6.5Al-2Mo-2Zr-2Sn-1W-0.2Si）属于α＋β型马氏体热强钛合金，高熔点W元素和Mo元素的加入使该合金具有很好的热强性和热稳定性，使用温度高达550℃，适用于制造500~550℃长时使用的航空发动机零件[1-4]。

TC25钛合金半成品主要有锻件、模锻件、冲压件、棒材等，关于其加工参数、热处理参数等研究也较多[5-16]。张晓园等[5]研究了热变形参数对TC25钛合金β锻坯微观组织和拉伸性能的影响；王林岐等[6-8]研究了热加工参数对TC25钛合金压气机盘锻件显微组织和性能的影响；白晓环等[9]研究了热处理工艺对BT25钛合金锻件组织与性能的影响；彭新元等[10]开展了锻造TC25钛合金环形件组织和性能的研究；康彦等[11-13]探索了锻造工艺参数对BT25合金棒材组织与性能的影响；彭新元等[14-15]研究了退火制度对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响；史小云等[16]研究了试样坯热处理和整体热处理两种热处理方式对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响。但是，关于TC25钛合金板材半成品的研究较为缺乏，仅王媛等[17]研究了不同热处理工艺对TC25钛合金板材室温力学性能和显微组织的影响，且该研究未涉及到高温性能的变化规律。

通过研究不同退火温度下TC25钛合金板材的显微组织、室温力学性能和高温力学性能，分析不同退火温度下板材组织和性能的变化规律，以期为TC25钛合金板材的生产提供指导，助推其在航空领域的应用。

1、实验

实验材料为经真空自耗电弧炉3次熔炼的TC25钛合金铸锭，其相变点为1000~1010℃，化学成分见表1。

TC25钛合金铸锭经万吨油压机在β相区自由锻为厚度150mm的板坯后，采用1200mm四辊可逆式热轧机在相变点以上（30~60）℃一火次（变形量80%）、相变点以下（30~60）℃两火次（变形量40%~70%）轧制成厚度6.0mm的板材。

采用SX3-12-10高精度热处理炉对热轧态TC25钛合金板材进行不同温度的退火处理，退火温度分别为760、800、840、880、920、960℃，保温时间为60min，冷却方式为空冷。对TC25钛合金板材进行显微组织观察、室温力学性能和高温力学性能测试。金相试样用腐蚀剂（5%HF＋12%HNO3＋83%H2O，体积分数）腐蚀后，利用AXIOVERT200MAT金相显微镜按照GB/T 5168—2020标准进行显微组织观察。室温和高温力学性能分别按照GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015标准在INSTRON5885电子万能材料拉伸试验机和ETM高温拉伸试验机上测试。

2、结果与分析

2.1显微组织

图1为热轧态TC25钛合金板材的显微组织。从图1可以看出，TC25钛合金板材热轧态显微组织为拉长组织，其中横向组织中拉长的初生α相存在纵横交织现象，纵向组织中拉长的初生α相呈单一方向。图2为TC25钛合金板材经不同温度退火后的横向与纵向显微组织。TC25钛合金板材退火温度在760℃时，初生α相球化，但由于温度较低，仍以长条状为主，如图2a、2b所示。退火温度升高至800~840℃时，球状初生α相直径增加，长条状初生α相短轴增宽，说明初生α相进一步等轴化，且逐渐长大，如图2c~2f所示。当退火温度升高至880℃时，初生α相开始溶解，晶界溶断，β转变组织中次生α相增多，TC25钛合金板材显微组织类型发生转变，如图2g、2h所示。退火温度进一步升高至920℃时，TC25钛合金板材β转变基体上的次生α相清晰可见，尺寸也明显增大，呈现双态组织，如图2i、2j所示。当退火温度升高至960℃时，双态组织中的初生α相含量明显减少，次生α相含量显著增多，尺寸进一步增大，如图2k、2l所示。可见，随着退火温度的升高，TC25钛合金板材热加工形成的等轴组织逐渐向双态组织转变。

图 1 热轧态 TC25 钛合金板材的显微组织

Fig.1 Microstructures of TC25 titanium alloy plate as hot rolled: (a) transverse; (b) longitudinal

图 2 经不同温度退火后 TC25 钛合金板材的显微组织

Fig.2 Microstructures of TC25 titanium alloy plate after different annealing temperatures: (a) 760 ℃-T; (b) 760 ℃-L; (c) 800 ℃-T;(d) 800 ℃-L; (e) 840 ℃-T; (f) 840 ℃-L; (g) 880 ℃-T; (h) 880 ℃-L; (i) 920 ℃-T; (j) 920 ℃-L; (k) 960 ℃-T; (l) 960 ℃-L

2.2室温力学性能

图3为TC25钛合金板材经不同温度退火后的室温拉伸性能。从图3a可以看出，TC25钛合金板材横向抗拉强度略高于纵向，随着退火温度的升高，抗拉强度整体呈现先减小、后变化不大、而后增大的趋势。当退火温度由760℃升高至800℃时，板材室温抗拉强度明显减小。这主要是由于随着退火温度的升高，加工硬化不断被消除，板材强度降低。当退火温度升高至840℃时，板材内部由于热加工产生的应力已完全消除，因此退火温度继续升高（880℃）时强度变化不大。而当退火温度进一步升高至920℃时，次生α相增多，拉伸过程中位错滑移至次生α相时易于形成位错塞积，板材抗拉强度显著升高。温度进一步升高至960℃时，抗拉强度变化不大。可见，抗拉强度的变化与显微组织的变化关系密切。从图3b可以看出，TC25钛合金板材横、纵向屈服强度随着退火温度的升高呈现先减小后增大的趋势，且横向屈服强度略高于纵向。退火温度为880℃时，横、纵向屈服强度最低，分别为1001MPa和995MPa，而后因组织类型变化，屈服强度急剧增大。从图3c可以看出，TC25钛合金板材退火温度在760~920℃时，其横、纵向断后伸长率呈现先减小后增大的趋势，在920℃时达到最大。退火温度升高至960℃时，横向断后伸长率略有减小，纵向断后伸长率没有变化。

图 3 经不同温度退火后 TC25 钛合金板材的室温力学性能

Fig.3 Room temperature mechanical properties of TC25 titanium alloy plate after annealing at different temperatures: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

可见，在实验温度范围内，受显微组织的影响，TC25钛合金板材在920~960℃退火时的室温力学性能优于在800~880℃退火时的室温力学性能。

2.3高温力学性能

图4为TC25钛合金板材经不同温度退火后的500℃高温拉伸性能（横向）。从图4可以看出，在800~920℃范围内，随着退火温度的升高，TC25钛合金板材高温抗拉强度由815MPa逐渐增加至924MPa；当退火温度达到960℃时，高温抗拉强度变化不大。TC25钛合金板材高温屈服强度在800~880℃变化不大，在684~694MPa之间；而当退火温度达到920℃时，高温屈服强度达到720MPa，960℃时增大至736MPa。可见，与等轴组织相比，双态组织TC25钛合金板材的高温力学性能更为优异。这主要是由于双态组织中等轴α相减少、β转变组织增多，β转变组织中交织分布的次生α相对滑移起到较强的阻碍作用，使得板材抵抗变形的能力增加，从而表现出更好的高温力学性能[18]。由此可见，退火温度的提高有助于TC25钛合金板材高温拉伸性能的提升。

图 4 经不同温度退火后 TC25 钛合金板材的高温力学性能

Fig.4 High temperature mechanical properties of TA15 titanium alloy plate after annealing at different temperatures

3、结论

(1)随着退火温度的升高，TC25钛合金板材热加工形成的等轴组织中初生α相长大，在920℃退火时等轴组织转变为双态组织，β转变基体上的次生α相清晰可见。

(2)随着退火温度的升高，TC25钛合金板材室温抗拉强度先在760~800℃减小、后在800~880℃变化不大、而后在920~960℃显著增加；高温抗拉强度随着退火温度的升高逐渐增大，在退火温度达到920℃后变化不大。

(3)TC25钛合金板材在920~960℃退火时可获得均匀的双态组织，且具有良好的室温和高温拉伸性能。

参考文献References

[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.

[2]朱培亮,辛社伟,毛小南,等.高温钛合金的热稳定性研究进展[J].钛工业进展,2023,40(1):42-48.

[3]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,2012:247-258.

[4]张晓园,刘向宏,杜予晅,等.TC25G钛合金高温变形组织演变及强塑性研究[J].稀有金属材料与工程,2023,52(12):4227-4237.

[5]张晓园,马驰,史小云,等.热变形参数对TC25合金β锻坯微观组织和拉伸性能的影响[J].锻压技术,2015,40(11):117-121.

[6]王林岐,窦忠林.TC25钛合金压气机盘锻件工艺选择[J].热加工工艺,2010,39(19):121-123.

[7]魏鑫,叶康源,叶俊青.冷速对等温锻造TC25钛合金盘件显微组织和性能的影响[J].钛工业进展,2017,34(4):26-29.

[8]夏春林,叶俊青,叶康源,等.热加工参数对TC25模锻件组织和性能的影响[J].热加工工艺,2023,52(21):152-154.

[9]白晓环,吕平,徐庆.热处理工艺对BT25钛合金锻件的组织与性能的影响[J].钛工业进展,2008,25(5):20-22.

[10]彭新元,刘元春,周贤良,等.TC25钛合金环形件组织和性能的研究[J].热加工工艺,2010,39(9):16-18.

[11]康彦,邓超,徐光泽,等.BT25钛合金大规格棒材的研究[J].钛工业进展,2008,25(3):15-18.

[12]于卫敏,吴跃江,潘跃进.锻造温度对BT25钛合金组织和性能的影响[J].热处理,2009,24(4):36-40.

[13]朱红,孙捷,凌敏.锻造工艺对BT25钛合金组织和性能影响[J].热加工工艺,2019,48(21):102-104.

[14]彭新元,刘元春,周贤良,等.双重退火对BT25钛合金组织与性能的影响[J].金属热处理,2010,35(4):42-46.

[15]王丽瑛,魏寿庸,高博,等.退火制度对TC25钛合金棒材组织和力学性能的影响[J].钛工业进展,2011,28(2):36-38.

[16]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+437.

[17]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.

[18]张伟,王丽瑛,李渭清,等.热处理对TC25G钛合金大规格棒材组织性能的影响[J].世界有色金属,2016(16):50-51.