退火温度对TC2钛合金板材的组织和硬度的影响

引言

TC2钛合金是一种中等强度的α＋β型钛合金，含有约4％Al和约1.5％Mn[1]。该合金板材的成形性能较好，在热态和有限的冷态下均具有稳定的成形性能。TC2钛合金结构件能够在350℃以下的温度运行2000ｈ，可在航空航天领域应用，尤其适合制作飞机机翼、安定面、襟翼和机翼等构件及焊接结构件，应用非常广泛[2-4]。

热处理是一种常用的材料加工手段，对改善材料组织和性能具有显著的作用，不同的热处理工艺有不同的作用。TC2钛合金是一种新型合金，目前，热处理工艺对TC2合金板材组织和性能的影响的研究还鲜有报道，因此有必要对其进行深入研究。

本文对TC2钛合金板材进行了不同温度的退火处理，检测了退火后板材的组织和硬度，以揭示退火温度对TC2合金板材组织和性能的影响，获得合理的热处理工艺参数，供实际生产参考。

1、试验过程和方法

试验研究用TC2钛合金板材，采用二次真空自耗电弧炉熔炼，铸坯经热轧机反复叠扎成1mm厚的板材。板材的热轧态微观组织如图1所示。图1表明，TC2钛合金板材的热轧态组织主要为初生的α相和转变的β相，且分布比较均匀。

通过金相法测得TC2合金的相变点为（955±5）℃。

采用线切割制备试样，尺寸为20mm×10mm×1mm，然后将试样分成4组，分别进行退火处理。

退火温度分别为650℃、680℃、710℃和740℃，保温1ｈ空冷。热处理设备为ＫＴＹ9100型高温箱式电阻炉，热处理完成后制备金相试样（镶嵌、粗磨、精磨、化学抛光和精抛），然后采用ＤＭＩ5000Ｍ金相显微镜观察显微组织。采用ＨＶＳ10型数显小负荷维氏硬度计测量硬度。

2、试验结果及分析

2.1显微观组织

图2为不同温度退火后TC2钛合金板材的显微组织。由图2可以看出，在650℃和680℃退火的板材，其微观组织的差异比较显著，虽然均为双相组织，但α相和β相的含量和分布明显不同。其原因可能是，退火温度升高，使得微观组织中细小的次生α相逐渐溶入基体而消失，而比较粗大的α相则得以继续存在并缓慢长大。当退火温度升高到710℃时，退火后板材的微观组织又发生了变化，次生α相长大，开始形成链状和短棒状结构，同时β相也逐渐长大，吞并晶界上的α相，呈不规则形态。随着退火温度升到740℃，退火后板材中 β相向α相转化，含量减少，α相继续长大，开始出现近似片状的组织。

2.2硬度

采用ＨＶＳ-10型数显小负荷维氏硬度测定热处理后试样的硬度，每个试样测3点，取平均值，结果列于表1。由表1可以看出，退火温度对TC2合金板材的硬度有一定影响，可能是因为退火温度相差不太大，这种差异不是太明显，但种硬度差异与微观组织的变化相吻合。

3、结论

（1）随着退火温度从650℃升高至740℃，TC2钛合金板材的微观组织不断变化：首先是小的次生α相逐渐溶入基体而消失，比较粗大的α相得以继续存在并慢慢长大；而后形成链状和短棒状结构，同时β相也逐渐长大，吞并晶界的α相，呈现不规则形态；最后α相长大成近似片状。

（2）TC2钛合金板材的硬度随着退火温度的升高先降低后升高，650℃退火的板材硬度最高，710℃退火的最低，但硬度随退火温度的升高而变化的幅度不大。

参考文献

[1]颜鸣皋，刘伯操，吴世平，等.中国航空材料手册[Ｍ].2版.北京：中国标准出版社，2002.

[2]曹春晓.航空用钛合金的发展概况[Ｊ].航空科学技术，2005（4）：3-6.

[3]赵永庆，奚正平，曲恒磊，等.我国航空用钛合金材料研究现状[Ｊ].航空材料学报，2003，10（23）：215217.

[4]黄张洪，曲恒磊，邓超，等.航空用钛及钛合金的发展及应用[Ｊ].材料导报，2011，25（1）：102-104.