双重退火制度对TC21钛合金断裂韧性的影响

　　1 前 言

　　随着飞机结构设计理念的发展，损伤容限型钛合金得到了更加广泛的关注[1]。TC21钛合金是我国研制的一种新型损伤容限型钛合金，名义成分为Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si。它具有高强度(1100MPa) 、高断裂韧性(70MPa·m1/2)和较低的裂纹扩展速率等特点[2]，可作为重要的结构钛合金在航空航天领域得到应用。其综合力学性能可与美国的Ti-6-22-22S合金相媲美[3]。

　　断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，是材料损伤容限性能的重要参数，只与材料本身、热处理及加工工艺有关。对于一种给定的合金，研究不同的热处理制度对其断裂韧性的影响规律已经变得刻不容缓。前人主要研究了TC21钛合金的相变行为、组织演变及变形行为[4-7]，但是就双重退火工艺对TC21钛合金断裂韧性[8]影响的研究鲜有报道。本研究对此进行初步探讨，以期为后人提供参考。

　　2 实 验

　　实验用原材料为148厂提供的TC21钛合金准β锻件，原材料的相变点经测定为963℃。锻后的材料被切割成4份，分别进行如下4种双重退火处理:

　　A 890 ℃ × 2 h / AC + 500 ℃ × 4 h / AC;

　　B 890 ℃ × 2 h / AC + 590 ℃ × 4 h / AC;

　　C 950 ℃ × 2 h / AC + 500 ℃ × 4 h / AC;

　　D 950 ℃ × 2 h / AC + 590 ℃ × 4 h / AC。

　　双重退火后的TC21钛合金试样均放进氩气中冷却，冷却气压为0.1MPa。TC21钛合金双重退火处理完成后，按照国标GB/T4161—1984从4块试料上分别取样并进行平面应变断裂韧性测试，所取试样均为T-L向标准紧凑拉伸试样。为了保证所得断裂韧性数据的有效性，每组工艺下取3个试样进行测试。室温拉伸性能按照国标GB/T228—2002进行取样和测试，取样方向为L向，每组工艺下也取3个试样。文中所用断裂韧性及拉伸性能实验结果均为平均值。从4种工艺试料中随机取Φ5mm×10mm 的小圆柱，经过粗磨、细磨和粗抛、细抛制成金相试样，随后用HF、HNO3、H2O体积比为1∶3∶7的腐蚀剂腐蚀，在OLYMPUS PMG3金相显微镜下选区拍照。用数码相机拍摄4种工艺下拉断后断裂韧性试样的宏观断口照片，并且在JEOL JSM-6390A型扫描电镜下拍摄4种工艺下断裂韧性试样失稳扩展区的断口形貌。

　　3 实验结果

　　3.1 双重退火对TC21钛合金显微组织的影响

　　图1为TC21钛合金在4种双重退火工艺条件下的显微组织。在第一次退火温度为890℃、第二次退火温度分别为500℃和590℃的工艺条件下，双重退火试样的显微组织相似，差别在于第二次退火温度为500℃的试样原始β晶界不明显，次生α相较细长，见图1a和图1b。这是由于第二次退火温度较低时，不能提供次生相生长所需的能量。在第一次退火温度为950℃、第二次退火温度为500℃的工艺条件下，试样组织包含较细的次生α 相(粗约1～2μm)及少量块状α相，还可看到被破碎的原始β晶界。第一次退火温度也为950℃，而第二次退火温度为590℃工艺条件下，试样组织由大量粗大的次生α相(粗约2～4μm) 、晶界破碎的α相及少量块状α相[9-10]组成，见图1c和图1d。总的来说，第一次退火温度相同的情况下，随着第二次退火温度升高，次生α相长大变粗; 而在第二次退火温度相同的情况下，第一次退火温度对次生相宽度影响较小。