面向飞机液压管路系统的TA18钛合金管材热处理工艺优化——以冷轧钛管为对象，研究退火对组织回复、再结晶及径向织构的影响，为航空钛合金管路制造提供工程化工艺支撑

管路系统是飞机的生命线,其性能好坏直接影响 飞机的整体性能[1-2] 。液压管路系统在飞机管路系统 中工作压力最高,可靠性要求最为严格,飞机管路系 统应用技术水平的高低集中体现在液压管路系统中。TA18(Ti-3Al-2.5V)是美国20世纪60年代末研制的近α型钛合金,不仅具有良好的室温、高温力学性能和耐蚀性能,相较于不锈钢管材比强度高,而且具有优异的冷热加工塑性、成型性和焊接性能[3-5] ,该合金是先进飞机液压管路系统的首选材料[6-8] 。

对于液压系统用TA18管材,除了对拉伸性能具有较高的要求外,还要求其具有较强的径向织构[9-10] ,相关研究表明,通过合理的冷轧道次Q值分配[11-13]结合中间退火[14] ,可以获得具有径向织构的冷轧管材,从而保障管材的收缩应变比(CSR)满足指标要求[15] ,使管材具有良好的弯曲、扩口等工艺性能[16] 。另外,为了使管材具有良好的塑性,TA18冷轧管材一般需要进行热处理[17] ,目前TA18管材的热处理主要是针对显微组织和拉伸性能的变化规律研究[18-20] ,然而,在热处理过程中钛合金除了发生回复和再结晶外,各向异性也会发生变化[21-22] ,从而导致管材的CSR发生变化,进而影响管材的工艺性能。杨奇等[23]研究了热处理温度对管材织构的影响,周大地等[24-25]研究了热处理对管材织构和残余应力的影响,然而,上述研究并未探明热处理温度和时间等参数对管材CSR性能的影响,故目前热处理工艺对管材CSR的影响规律尚不清楚。因此本文以航空液压系统用TA18管材为研究对象,研究热处理工艺对管材显微组织、拉伸性能和CSR的影响规律,为制备综合性能满足要求的成品管材热处理技术提供参考。

1、试验材料与方法

本文以冷轧态TA18钛合金管材为原材料，其直径为18mm，厚度为1.5mm。经过真空封管后，对其在电阻炉中进行真空热处理，首先在400~650℃范围内保温90min后进行炉冷，研究热处理温度对管材显微组织和性能的影响规律，确定最佳的热处理温度，然后在最佳的热处理温度条件下对管材进行15~240min不同时间的保温，探究保温时间对管材显微组织和性能的影响规律。

采用JSM-F100型扫描电镜(SEM)进行电子背散射衍射(EBSD)分析，步长为0.2μm。利用INSTRON5985型电子万能试验机进行管材的拉伸性能测试和CSR的预拉伸，采用JVP-300F型视频仪测量管材拉伸变形前后的直径和周向应变。

2、结果与分析

2.1热处理工艺对显微组织的影响

图1为钛合金管材在不同温度保温90min后AD-TD面的取向成像图，其中AD、TD分别代表管材的轴向和切向，{0001}取向的晶粒为红色，{101-0}取向的晶粒为蓝色、{112-0}取向的晶粒为绿色。从图1可以看出，冷轧态管材晶粒呈现沿轴向被拉长的形貌，主要以红色的{0001}取向晶粒为主，另外还可以看出晶粒内部存在大量的小角度晶界(细黑线)，由此说明冷轧管材具有强{0001}径向织构。退火温度低于500℃时，钛合金管材中的晶粒仍呈现沿轴向被拉长的形貌，晶粒内部的小角度晶界数量减少，表明钛合金管材只发生了回复，当退火温度升高到550℃时，局部区域出现了再结晶晶粒；当退火温度继续升高到600℃时，钛合金管材中的晶粒大部分完成了再结晶，退火温度达650℃时，此时管材已经发生完全再结晶。另外，从图中还可以看出，随着退火温度的升高，钛合金管材中{0001}取向的晶粒所占的比重稍有降低，表明在退火过程中管材的径向织构减弱。当退火温度为650℃时，虽然出现了部分随机取向的晶粒，但仍以{0001}取向晶粒为主。

图2为冷轧态钛合金管材在400~650℃保温90min后的晶界取向差分布。从图2可以看出，在400~500℃退火时，随着退火温度升高，小于5°的小角度晶界所占的比例稍有降低，5°~15°小角度晶界的比例升高，当退火温度升高至550℃时，小角度晶界所占的比例迅速降低，>15°的大角度晶界所占的比例明显增加，由此进一步说明此时管材开始发生再结晶。

为进一步分析退火温度对合金相成分的影响，对不同温度退火保温90min钛合金管材采用扫描电镜进行形貌观测。图3(a)为冷轧态钛合金管材的SEM形貌，从图中可以看出冷轧态管材晶粒呈现拉长的状态，同时在晶界处存在拉长的第二相。图3(b)为形貌图中黄线区域的元素含量分布，从图3(b)中可以观察到第二相中V的含量明显高于基体相，而V元素属于β稳定元素在β相中的含量较高由此可以说明第二相为β相。

图4为不同温度退火保温90min后钛合金管材的SEM形貌。从图4可以看出随着退火温度的升高，纤维状β相逐渐变短由此说明随着退火温度的升高，β相也逐渐发生等轴化采用分析的钛合金管材的β相含量面积比如表所示从表可以看出不同退火温度条件β相含量均在1.5%~2.0%，由此说明退火温度对β相含量的影响较小。

表1不同温度退火保温90min后钛合金管材的β相含量

图5为500℃退火保温不同时间后TA18钛合金管材的显微组织。从图5中可以看出随着保温时间延长，钛合金的显微组织中小角度晶界数量减少，其他形貌相差不大，{0001}取向的晶粒所占的比例也基本相同，由此说明保温时间对TA18钛合金管材的显微组织影响不明显。这主要是因为炉冷条件下，冷却时间一般都要超过12h，在炉冷过程中，管材有足够的时间发生回复，因此保温时间对管材的显微组织影响不明显。

综上所述，TA18钛合金管材在400~500℃范围内退火90min时，小于5°的小角度晶界比例稍有降低，5°~15°小角度晶界的比例升高，管材主要发生回复，550℃时开始发生再结晶，650℃时再结晶完成；{0001}取向的晶粒所占的面积随着退火温度的升高逐渐降低，但是管材仍以强径向织构为主；不同退火温度条件下，β相含量稳定在1.5%~2.0%。保温时间对管材的显微组织影响不明显。

2.2热处理工艺对力学性能和CSR的影响

图6为不同温度退火保温90min后TA18钛合金管材的力学性能，从图6(a)可以看出，在400~650℃退火时，相较于冷轧态，TA18钛合金管材的屈服强度由848MPa降低至771MPa，抗拉强度由953MPa降低至914MPa；在450~500℃退火保温90min时，管材的屈服强度、抗拉强度和伸长率基本保持不变，主要是因为此时管材主要发生回复，组织变化不明显，因此管材的拉伸性能相对稳定；当温度升高至550℃时，TA18管材开始发生再结晶，TA18管材的屈服强度和抗拉强度开始迅速降低，继续升高退火温度，管材再结晶程度增加，管材的屈服强度和抗拉强度继续迅速降低。

从图6(b)可以看出，CSR的变化与力学性能变化规律基本一致，冷轧态管材的CSR为2.2，在400~450℃退火时，TA18钛合金管材的CSR相较冷轧态迅速降低至1.9~2.0；在450~500℃退火时，管材的CSR相对较为稳定，约为1.9；当温度升高至550℃时，TA18钛合金管材的CSR开始迅速降低，当退火温度达650℃时，管材的CSR约为1.6，与冷轧态相比降低了约0.6，这主要是管材发生了再结晶，出现了部分{101-0}、{112-0}取向的晶粒，径向织构进一步减弱。

图7为500℃退火保温不同时间后TA18钛合金管材的力学性能。从图7中可以看出不同保温时间条件下，管材的拉伸性能和CSR相差不大，由此说明保温时间对TA18钛合金管材的拉伸性能和CSR的影响较小，与组织分析的结果相吻合。

综上所述，TA18钛合金管材在500℃保温90min炉冷的条件下进行热处理，管材拉伸性能均能满足AMS4945指标Rm≥862MPa，Rp0.2≥724MPa，A₅₀≥10.0%，CSR≥1.3的要求，管材的综合性能最优。

2.3热处理工艺对TA18钛合金管材CSR的影响机理分析

管材的CSR与织构具有密切的关系：径向织构{0001}与RD方向夹角越小，管材的CSR越高。为了进一步分析热处理温度对TA18钛合金管材CSR的影响机理，对不同退火温度保温90min条件下管材的{0001}极图进行了分析，结果如图8所示。其中X₀平行于管材周向TD，Y₀平行于管材轴向AD，观察方向为管材径向RD。

从{0001}面的极图可以看出，冷轧态管材{0001}面极密度较强的区域与RD方向夹角在2°~52°之间，夹角跨度为50°，平均夹角为26°；当退火温度为400℃时，{0001}面极密度较强的区域与RD方向夹角在24°~54°，夹角跨度为30°，平均夹角为36°；当退火温度为500℃时，{0001}面极密度较强的区域与RD方向的夹角在28°~46°之间，夹角跨度为18°，平均夹角为36°。

在400~500℃退火过程中，部分晶粒吞并了附近取向差较小的晶粒，如图9(a)所示，从而导致相邻的晶粒取向差增加，因此小于5°的小角度晶界所占比重降低，5°~15°的小角度晶界所占比重增加；另外，研究表明，冷轧态{0001}面极密度极大值点偏离RD方向35°~40°，因此{0001}面与RD方向呈现35°~40°的晶粒数量最多，如图9(b)所示，该方向的晶粒取向差较小，退火过程中更容易吞并附近取向的晶粒，故{0001}面极密度较强的区域与RD方向夹角逐渐向35°~40°之间收拢，夹角跨度逐渐减少，平均夹角由冷轧态26°增大至36°，其径向织构减弱，管材的CSR相较于冷轧态降低了0.2~0.3。

当退火温度达600℃时，管材发生再结晶，出现大量的随机取向的晶粒，在RD两侧0~90°的范围内出现了多个极密度较强的点，如图8(d)和图9(c)所示，其径向织构进一步减弱，因此管材的CSR进一步降低。

3、结论

TA18钛合金管材在400~500℃退火时，管材主要发生回复，550℃时开始发生再结晶，650℃时再结晶完成；TA18钛合金管材在400~500℃退火时，{0001}面极密度较强的区域与RD方向平均夹角由26°增加至36°，其径向织构减弱，相较于冷轧态管材的CSR降低了0.2~0.3；当退火温度升高至550℃时，管材开始发生再结晶，出现了部分随机取向晶粒，CSR进一步降低；保温时间对管材的显微组织和力学性能影响较小。

在450~500℃退火保温90min时，管材的力学性能较为稳定，且能满足AMS4945技术指标的要求，因此推荐在该温度范围内对管材进行真空热处理，冷却方式为炉冷。

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（注，原文标题：热处理工艺对TA18钛合金管材组织性能的影响_王春阳）