TC6钛合金的热处理工艺研究

　　TC6属于Ti-Al-Cr系的(α+β)型钛合金，其合金成分是Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si，含有Mo、Cr、Fe、Si等β稳定元素。我公司某产品用零件采用TC6钛合金制造，热处理后要求硬度为290～365HB。本文通过对TC6合金热处理工艺与组织、 性能的研究，确定了满足产品性能要求的最佳热处理工艺。

　　1 实验材料与方法

　　采用准90mm的TC6钛合金棒料(GJB2218-1994)，加工成以下实验用试样：棒材硬度试样准90mm×10mm;锻件硬度试样 准90mm×15mm，锻造成 准55mm×10mm;棒材抗拉强度及冲击韧度试样：在准90mm端面直径/2处切割 准16mm×185mm试棒→热处理→加工抗拉强度试样、冲击韧度试样;锻件抗拉强度、冲击韧度试样：准90mm×230mm→锻造成准50mm×185mm→在准50mm端面直径/2处切割准16mm×180mm试棒→热处理→加工成抗拉强度试棒、冲击韧度试样。

　　TC6钛合金的再结晶开始温度为780℃，再结晶终了温度为900℃，(α+β)→β 相变温度为960～1000℃，本文退火温度选定为780、870、920 和950℃。采用不同的冷却方式，对各种试样进行不同工艺退火。除进行退火试验外，本文对(α+β)型钛合金TC6，分别进行850、870、920和950℃的水淬试验，时效处理采用一次时效，时效温度分别为500、650℃，保温结束后空冷，时效保温时间5～6h。

　　2 结果分析与讨论

　　2.1 退火温度的影响

　　根据不同工艺退火的试验结果，绘制成退火工艺和性能的关系曲线，见图1。可以看出：无论采用何种退火冷却方式，随退火温度的升高，材料的抗拉强度、硬度呈降低趋势，塑性、冲击韧度提高。这是因为在退火过程中，除发生再结晶外，同时还发生α→β的相变。随温度的升高，合金在α相与β相发生再结晶的同时，α 相向β相转变，α相数量减少，β相数量增多且晶粒不断长大，冷却时β相进行分解，冷却后所得组织亦不相同。如加热温度分别采用870℃和920℃，等温温度均采用550℃的等温退火，920℃等温退火后的金相组织(图2(b))中，晶粒明显大于870℃等温退火(图2(a))的晶粒，同时图2(b)中α+β 条也明显粗于图2(a)的。对于等温退火和双重退火，当加热温度相同时，随等温温度的升高，合金的性能发生很小变化。

　　2.2 冷却方式的影响

　　从图1可以看出，当退火温度一定时，冷却方式对TC6 的合金塑性、冲击韧度的影响与强度、 硬度正好相反，双重退火强度、硬度最高，等温退火次之，空冷最低，不同的冷却方式得到的组织不同。对于加热温度相同的双重退火和等温退火，其热处理工艺仅仅在第一次加热后冷却方式上有差异。但图1表明，双重退火的强度、硬度明显高于等温退火。如第一次加热温度均为870℃，第二次加热温度均为550℃的双重退火和等温退火，双重退火测得硬度为350HB、强度为1150MPa，等温退火测得硬度327HB、强度1100MPa，双重退火比等温退火强度提高了50MPa，硬度提高了23HB，而伸长率仅仅从13%下降至11%。870℃双重退火和等温退火得到的组织均为由编织状的α及β条组成的粗大网篮组织和均匀细小的网篮组织，所不同的是双重退火在第二次加热中由于β相的分解，组织中出现次生α条块以及由于空冷冷速大而形成的α及β条较细密。金相组织分别见图3(a)和图2(a)。