鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有著密不可分的聯(lián)系，其常見的顯微組織主要有4種:等軸組織、網(wǎng)籃狀組織、雙態(tài)組織和魏氏組織［1-2］。而微觀組織取決于熱處理工藝，因此，研究鈦合金熱處理工藝對(duì)組織性能的影響具有重要意義［3］。
目前關(guān)于鈦合金熱處理的研究主要是淬火過程中發(fā)生的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，而根據(jù)冷卻速度和合金成分的不同，發(fā)生的主要相變有:β→α'、β→α、β→α″、β→ω［4-5］。Malinov等 ［6］發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si等鈦合金在不同的熱處理?xiàng)l件下(鍛態(tài)、爐冷、水冷、水冷后時(shí)效)，合金中α、α'、α″和β相的量各不同。Ahmed等 ［7］研究了不同冷卻速度對(duì)Ti6Al4V鈦合金相變的影響，得到不同冷速下的組織，研究發(fā)現(xiàn)冷速為410～525℃/s時(shí)，只發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變;冷速為20～410℃/s時(shí)，發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變，為馬氏體α'和塊狀α的混合組織;黃輝等［8］應(yīng)用高溫形變熱處理技術(shù)研究了熱處理工藝對(duì)TC4鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明TC4鈦合金經(jīng)不同的形變量淬火后得到的介穩(wěn)組織均為α+α'相，α'相呈針狀，形變量越大，針狀α'相越細(xì)。曾衛(wèi)東等［9］研究了TC11鈦合金經(jīng)β區(qū)加工后不同冷卻方式(水冷、油冷、空冷和爐冷等)對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)水冷可以減少晶界α相的析出，晶內(nèi)得到短、細(xì)和無規(guī)則排列的針狀α相;空冷和爐冷條件下，晶界α連續(xù)完整，并有大塊α析出。本文報(bào)道了TC4鈦合金在不同保溫溫度和冷卻速度下的顯微組織。
1、試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)材料為退火態(tài)TC4厚板，化學(xué)成分如表1所示。
試樣尺寸為10mm×10mm×5mm。將4組試樣分別在970、1020、1100和1200℃保溫30min，然后進(jìn)行爐冷、空冷、油冷和水冷。熱處理設(shè)備采用高溫箱式電阻爐。
試樣熱處理后，經(jīng)過鑲樣、磨樣、拋光、腐蝕制備成金相試樣，金相樣品腐蝕劑為HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶45。采用AxioPlan2型金相顯微鏡觀察試樣組織形貌;采用NaNo400場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察高倍顯微組織。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1組織分析
圖1所示為TC4鈦合金970℃下保溫30min后，分別在爐冷、空冷、油冷和水冷下的顯微組織。可以看出，爐冷組織為等軸狀α相，晶界處有少量的β相，見圖1(a);空冷組織為等軸狀初生α相和針狀β相，初生α相呈發(fā)亮的顆粒，而β相發(fā)暗，見圖1(b);油冷和水冷組織均為針狀α'馬氏體和片狀α相，見圖1(c，d)。
圖2為TC4鈦合金在1020℃下保溫30min后，分別在爐冷、空冷、油冷和水冷下的顯微組織。爐冷顯微組織如圖2(a)所示，晶界α相隨著溫度的緩慢降低而變厚，同時(shí)晶內(nèi)α相由短變長(zhǎng)，由窄變寬，其組織排列緊密且粗大;空冷組織為粗短的α相組織，包括厚且連續(xù)的晶界α相和晶內(nèi)沿一定慣習(xí)面析出的相互平行的α相集束，如圖2(b);圖2(c)為油冷組織，α相晶界粗厚且連續(xù)，由于冷卻時(shí)有一定過冷度，生成少量針狀馬氏體;水冷組織為細(xì)針狀α'相，并且隱約可見原始β相晶界，如圖2(d)，這是由于高溫β相的析出在較快的冷速下來不及進(jìn)行，晶內(nèi)β相以切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，在熱處理時(shí)分解為細(xì)密且位向無規(guī)則的細(xì)針狀α'相。由此可見，不同冷卻速度對(duì)顯微組織有顯著的影響。
圖3和圖4分別為TC4鈦合金在1100℃和1200℃下保溫30min后，在爐冷、空冷、油冷和水冷下的顯微組織。這兩種溫度下不同冷速對(duì)組織影響的整體變化趨勢(shì)與圖2相似。隨保溫溫度的升高，爐冷和空冷組織有變粗大的趨勢(shì)。在1200℃下保溫后空冷時(shí)，得到粗大的α相組織。水冷時(shí)均得到馬氏體組織，馬氏體組織大小受保溫溫度變化影響較小。
比較圖1～圖4可以看出，TC4鈦合金在970℃下保溫，由于溫度稍低于β相轉(zhuǎn)變溫度，只有少量α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵虼藸t冷時(shí)可以得到細(xì)小的等軸狀α相和晶界處少量的β相;在快冷時(shí)β相來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵鸡孪嗑Ы绫黄茐牡[約可見，片狀α相沿晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，針狀馬氏體在晶內(nèi)生長(zhǎng)，短小并無規(guī)則排列。
保溫溫度升高到相轉(zhuǎn)變溫度以上，爐冷時(shí)由于溫度緩慢降低，晶界α越來越厚，晶內(nèi)α由短變長(zhǎng)，由窄變寬，組織變得更粗大;水冷時(shí)，由于冷速快，高溫β相析出過程來不及進(jìn)行，導(dǎo)致原始β晶界隱約可見，晶內(nèi)β相以無擴(kuò)散的切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇慊瘃R氏體，在熱處理時(shí)分解為細(xì)密且位向無規(guī)則的細(xì)針狀α'相，且隨著保溫溫度升高，針狀馬氏體增多。
圖5為TC4鈦合金970℃下保溫30min后，爐冷和水淬下的SEM形貌，爐冷組織為細(xì)小均勻的等軸狀晶粒，如圖5(a);水冷組織為初生α相、片狀α相和針狀α'馬氏體的混合組織，如圖5(b)。圖6為TC4鈦合金在1200℃下保溫30min后，經(jīng)爐冷和水淬后的SEM形貌，爐冷組織為粗大的片狀α相，排列緊密，如圖6(a);水冷組織為針狀α'相馬氏體組織，如圖6(b)。
對(duì)比圖5和圖6可知，當(dāng)加熱溫度為970℃時(shí)，稍低于相變溫度，爐冷時(shí)晶粒比較細(xì)小，隨著加熱溫度的升高，當(dāng)高于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，引起β相晶粒急劇長(zhǎng)大，爐冷組織為粗大的α相;水冷淬火后的組織中，α'馬氏體量隨著保溫溫度升高而增加，與顯微組織趨勢(shì)一致。
2.2硬度分析
采用HV-50維氏硬度計(jì)測(cè)量熱處理試樣的硬度，加載載荷98N，持續(xù)時(shí)間20s，每個(gè)試樣上取4個(gè)點(diǎn)，記錄并取其平均值。圖7為TC4鈦合金在不同溫度保溫后爐冷、空冷、油冷和水冷下的硬度分布。可知，硬度隨著冷速的增加而變大。在相轉(zhuǎn)變溫度以上，保溫溫度對(duì)硬度沒有明顯的影響，相差不大;但970℃保溫時(shí)，由于溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度，冷卻后的硬度值較低。
3、結(jié)論
1)TC4鈦合金在970℃進(jìn)行保溫，α相并沒有完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵瑺t冷組織為等軸狀α相，晶界處有少量的β相;空冷組織為初生α相和針狀β相;油冷和水冷組織均為針狀馬氏體α'相和片狀α相。
2)TC4鈦合金在1020℃進(jìn)行保溫后，爐冷組織為排列緊密且粗大的α相，空冷組織為粗短的α相，油冷組織為α相和少量針狀馬氏體α'相，水冷組織為 細(xì)針狀α'相。隨保溫溫度升高至1100℃、1200℃，爐冷和空冷組織有變粗大的趨勢(shì)。水冷時(shí)均得到馬氏體組織，馬氏體組織大小受保溫溫度變化影響較小。
3)TC4鈦合金的硬度隨著熱處理冷速的增加而變大。在低于相轉(zhuǎn)變溫度(970℃)保溫冷卻后的硬度值比較低;在1020℃以上保溫時(shí)，溫度對(duì)硬度沒有明顯的影響，相差不大。
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