TC21钛合金双重退火组织演变行为研究

;潘光永  余新平

（浙江广厦建设职业技术学院）

摘要针对TC21钛合金，基于JMatPro软件模拟出合金等温转变曲线，并依据等温转变曲线制定合金在热变形后的双重退火热处理制度，并分析其组织演变规律。结果表明，当变形条件一致，合金在不同温度下退火后，组织中析出了片状的a相，随着温度升高，析出的a相尺寸也变大；当退火温度超过相变点后，由于过热原因，组织中形成了魏氏体组织。合金经二次退火后，除了生成网篮组织，还保留了退火前的一些组织特征；最后通过SEM观察合金双重退火后的组织，可知在β基体上析出了形状细小的次生a相，且随着温度的升高尺寸变大，这对合金的组织性能有一定的影响。

; TC21钛合金在经过热变形后，需要进行适当的热处理以获得更好的组织和性能；钛合金主要的热处理方式包括退火、固溶和时效等；其中退火处理的主要目的是使零件加工后的残余应力减小乃至消除，并稳定组织和性能。徐海林等研究了双重退火以及变形工艺对TC21钛合金组织的影响；朱知寿等研究了模锻后的TC21钛合金热处理工艺参数与显微组织演变的关系；王政等研究了TC21钛合金在高温超塑性拉伸后，双重退火对组织演变的影响。

; JMatPro是金属材料相图计算及材料性能模拟软件，输入合金化学成分可计算热导率、杨氏模量和剪切模量等热物理性能，随温度和成分变化的相图等。等温转变曲线(TTT)可综合反映材料在不同过冷度下的等温转变过程，为合金的形变热处理提供依据。余新平等研究发现，JMatPro软件所计算的TC21钛合金等温转变曲线有一定的参考性。因此本课题基于JMatPro软件模拟合金等温转变曲线，并依据等温转变曲线制定合金在热变形后的双重退火热处理制度，并分析其组织演变规律。

1  试验材料和方法

; 试验材料为TC21(a+β两相钛合金，化学成分见表1，用膨胀仪测得TC21钛合金的(a+p)→卢相转变温度为958 ℃。

; 用线切割将合金切割成φ8 mm×12 mm的试样，经过表面打磨处理后，在Gleeble-3500热模拟机上进行温度为975℃，应变速率为0. 001、0.01、0.1、1 S-l的准β热压缩变形，真应变为0.9，变形后取出试样立即水淬，以保留高温组织状态。制备金相试样，并用配比为p(HF)：p(HN03)：p(Hz0) =1：3：7腐蚀液腐蚀，在光学金相显微镜下观察金相组织；再结合模拟计算所得的等温转变曲线，对变形后的合金制定退火工艺，研究其显微组织演变。

1.1  JMatPro软件模拟计算等温转变曲线

; JMatPro软件模拟计算等温转变曲线。首先需要进入到钛合金模块，并输入相应化学成分，最后基于相变动力学模型，计算得到等温转变曲线；如果合金在某一温度退火时，随着时间的延长会发生相转变，则其相变动力学模型用下式表示：

式中，V为t时刻的含量变化；T为温度；Veq为析出相的平衡量；Gr为增长速度；Nr为形核率。

; 模拟得到等温转变曲线，见图1。在低温时效时，亚稳定β相首先分解形成w相，而w相是硬质相，会使合金的塑性、韧性降低，从而使合金的强度降低，硬度升高，因此时效时应避免产生倒相。等温时涉及到的相变有两个过程β→β+w和β+w→β+a，亚稳定β相低温时效时首先析出的是叫相，继续时效时w相会转变为a相；时效过程中生成w相对合金组织有调节作用，双时效过程就是通过w中间相的形成，使最终析出的相细小均匀，使合金具有良好的综合性能。

1.2热处理方案的制定

; 由等温转变曲线可知TC21钛合金在800～900℃等温时，处于曲线鼻尖位置，合金在高温退火时效时在鼻尖温度区间的停留时间不能太长。且由图1可知，TC21钛合金在高温900℃左右等温时，合金亚稳β相全部转为针状a相的时间为1.2 h左右，因此选择第1次退火时间为45 min;在此基础上，双重退火热处理制度制定如下。

; (1)热处理方案1  第1次退火(875、900、925)℃×45 min+空冷。

; (2)热处理方案2第1次退火900℃×45 min+空冷十第2次退火(560、590、620)℃×4h+空冷。

2  结果与讨论

2.1  热压缩变形后的金相显微组织

; TC21钛合金经975℃，应变速率为0.001、0.01、0.1、1 s-i的准p热压缩变形后的金相显微组织见图2。由于热变形温度超过了相变点，所以组织中为单一的β相；同时当应变速率变大时，组织中的β晶粒尺寸也不断变小；在较低应变速率(0. 001  s-1)时，β晶粒有充分的时间发生动态再结晶并长大。随着应变速率变大(0.1 s-1)，组织中产生了细小的再结晶晶粒，组织形状趋于带状。这是动态回复和动态再结晶共同作用的结果，同时晶粒没有发生长大，这是由于应变速率加快，没有足够的时间进行长大的结果；当应变速率为1s-l时，组织没有发生动态再结晶，呈现出典型的带状动态回复特征。

2.2第1次退火后合金显微组织的演变

; TC21试样经0.001 s-1、975℃的高温变形后，再进行不同温度退火后的组织见图3。由图3可知，当合金在不同温度下退火后，组织中都析出了a相。另外可观察到，当退火温度为985℃（超过相变点）时，得到的组织和其他退火温度下的组织有着明显的区别，此时组织为典型的魏氏体组织，这是由于过热导致的。当退火温度为875℃时，从原始单一的β相组织中析出了片状的a相，随着温度升高到900℃时，组织形态较875℃发生了一定的变化，析出的a相部分为短棒状，随温度升高到925℃及950℃时，析出的a相开始粗化。

2.3双重退火后合金显微组织的演变

; 对于热变形后的TC21钛合金来说，在经过第1次退火后，往往要进行第2次退火来进一步调整析出a相的含量和形态，以提高合金的强度，并稳定组织和性能。图4为975℃下，不同应变速率热变形后，经双重退火后合金的显微组织演变。由图4可知，TC21钛合金经双重退火后，形成了粗大的β晶粒边界，但有不同程度的破碎，出现了一些离散分布的颗粒状晶界a相，原始β晶粒内a片交织排列，编织成网篮状组织；当应变速率为0. 001 s-1时，观察到网篮组织编织较好，原始β晶粒较大；当应变速率为0.1 S-1时，可以观察到，除了生成网篮组织，其原始口晶粒尺寸也较小；而当应变速率为1 S-1时，组织呈明显带状的特征，这是典型的动态回复特征。由此可以判断，合金经二次退火后，除了生成网篮组织，还保留了退火前的一些组织的特征：当应变速率≤0.1 S-1时，随着应变速率的变大，原始β晶粒尺寸变小。这是由于退火前，此变形条件下，组织发生了动态再结晶，产生了细小的动态再结晶晶粒。

; 其中当应变速率为0. 001 S-1时，观察第2次退火温度为560～620℃不同温度合金显微组织，组织形貌都为网篮组织，且随着第2次退火温度的升高，合金组织几乎没有变化。而从等温转变曲线可知，退火时其涉及到的相变有两个过程：β→β+w和β+w→β+a，亚稳

定β相在较低温度时效时最早出现的是叫相，继续时效时w相会转变为次生a相。

; 图5为第2次退火温度对合金影响的SEM组织。可以看出，在β基体上析出形状相对细小的较多的次生a相，且随着温度的升高，二次a相在基体上变得更稀疏，且尺寸变得更大。

3  结  论

; (1)通过JMatPro软件计算得到TC21钛合金的等温转变曲线，并据此研究制定了合金的双重退火热处理制度。

; (2)当TC21钛合金在不同温度下退火后，从原始单一的β相组织中析出了片状的d相，且组织形态发生了一定的变化。随着温度升高，析出的a相尺寸变大；当温度超过相变点后，组织中形成了魏氏体组织，这可归因于过热。

; (3) TC21钛合金经双重退火后，除了生成网篮组织，还保留了退火前的一些组织特征，当应变速率≤0.1s-l时，随着应变速率的变大，β晶粒尺寸变小；当应变速率≥1 S-1时，组织依原始β晶界成带状，延续了典型的动态回复特征。SEM观察可见，在β基体上析出了形状细小的次生a相，且随着温度的升高尺寸变大，这会在一定程度上影响合金的组织性能。