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关 键 词：TA18钛棒,TA18钛合金管
行 业：冶金 金属合金制品 特殊/专业金属合金制品
发布时间：2021-08-15
TC18钛合金是 一种高强度钛合金，在俄罗斯对应的合金为BT22。TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，名义成分下的Al当量为5.0%，Mo当量为11.76%。GB/T3620.1《钛及钛合金和化学成分》中规定的TC18钛合金化学成分见表1。该合金退火状态下的组织中具有数量大致相等的α相和β相，是退火状态下强度高的钛合金。TC18钛合金可以用各种焊接方式进行焊接，退火后具有良好的焊接性能。合金的高长期工作温度为400℃。
TC18合金可淬透截面厚度高达250mm，特别适合制造飞机机身和起落架上的大型承力结构件，在飞机结构中用TC18钛合金代替高强钢或Ti6Al4V合金，可减重15%~20%。该合金一般在双重退火状态下使用，也可以通过固溶时效进行强化，其主要半成品包括板材、棒材、管材、紧固件、挤压型材和锻件等。
]TC18钛合金名义成分为T1-5Al-5V-5Mo-lCr_lFe，属于近β型钛合金，具有塑性变形性好、淬透性深、强度高(σ b≥llOOMPa)、断裂韧性高(Kie≥50MPa.πι1/2)等优点，适合制造高负载承力的航空结构件，在航空航天领域受到广泛关注。近年来，TC18钛合金因其优越的性能，在船舶、海水淡化、汽车工业、体育等领域的应用逐渐增多。
热处理对TC18钛合金显微组织和力学性能的调控具有重要作用。TC18钛合金的显微组织主要由α相和β相组成，其中α相作为主要强化相，其形貌、含量和尺寸对合金的力学性能有着较为重要的影响。例如等轴α相含量越高、尺寸越大，合金塑性越好；较高含量的细针α相有利于大幅提高合金强度；粗片α相含量和厚度的增加有利于提高合金断裂韧性等。因此，制定合适的热处理工艺，调控不同形貌α相的含量和尺寸等微观特征，使产品获得满足使用要求的力学性能，在TC18合金的生产过程中具有重要作用。
目前TC18钛合金常用的热处理工艺有双重退火和固溶-时效两种。双重退火由俄罗斯OCTl规范推荐，其一般过程为:820~850°C保温I~3h —随炉冷却至740~760°C保温I~3h —空冷一500~650°C保温2~6h —空冷。双重退火后的TC18合金显微组织主要由等轴α、粗片α和β基体组成，合金具有优良的塑性(δ ^ 14%)和断裂韧性(Kic≥70MPa.m1/2)，在工业生产上得到了广泛的应用。然而，双重退火过程包括三次保温阶段，尤其次保温后采用了炉冷，整个工艺过程较长，且在工艺控制的准确性、一致性方面较难保证；特别是双重退火后合金显微组织中的细针α相含量较低，导致抗拉强度和屈服强度普遍低于1200MPa，难以满足更高强度的使用要求。因此，近年来固溶-时效工艺越来越受到关注。
固溶-时效一般过程为:Te-150°C附近保温I~3h —淬火一400~600°C保温2~6h —空冷。与双重退火相比，固溶-时效仅需两次保温，次保温后采用水淬冷却，故其工艺过程较短；同时，固溶-时效后的TC18合金显微组织中含有大量弥散分布的细针α相，使得合金的抗拉强度与屈服强度大幅提高O 1250MPa)，能够满足更高强度的使用要求。然而，在固溶-时效后的合金显微组织中，等轴α相与粗片α相的含量较低，导致合金的塑性与断裂韧性较差，往往难以满足伸长率> 6%、断裂韧性> 55MPa.m1/2的俄罗斯0CT190173-75标准要求；另外，现有的固溶_时效工艺大多仅考虑了热处理温度对合金组织和性能的影响，而对保温时间、冷却方式等参数考虑较少。因此，在固溶-时效工艺的基础上，综合考虑温度、时间和冷却方式等多个参数的影响，开发一种既保证TC18钛合金高强度、又使合金塑性和 韧性满足使用要求的热处理工艺是该合金的新
TC18钛合金热处理工艺，本发明处理后的TC18钛合金，不仅具有较高的强度，而且克服了传统双重退火工艺存在合金强度较低以及固溶-时效工艺难以使合金塑性和韧性满足使用要求的问题。
TC18钛合金热处理工艺，包括下述步骤:
一步:一级热处理
将锻态TC18钛合金加热至β相转变温度Te以下60°C~100°C保温2~8h后，以2~20°C /s的冷却速度冷却至室温；所述锻态TC18钛合金显微组织由β相为基体和等轴α相组成；
二级热处理
[0011]将步冷却后得到的合金加热至540°C~600°C，保温4~12h后，空冷至室温。
TC18钛合金热处理工艺，所述锻态TC18钛合金的名义化学成分为:T1-5Al-5Mo-5V-lCr-lFe。
TC18钛合金热处理工艺，所述锻态TC18钛合金显微组织中等轴α相的体积分数为28~35%、平均尺寸为3~5 μ m。
TC18钛合金热处理工艺，一级热处理保温后，合金采取强制空冷或水冷冷却至室温。
TC18钛合金热处理工艺，步，一级热处理保温后以5~18°C /s的冷却速度冷却至室温；更优选以8~15°C /s的冷却速度冷却至室温；优为10~12°C /s的冷却速度冷却至室温。
一种TC18钛合金热处理工艺，处理后的TC18钛合金显微组织中，等轴α相的体积分数为10~18%、平均尺寸为2-5 μ m，片状α相厚度为0.5-1 μ m。
与现有技术相比，本发明的优点在于:
(I)选用初始组织为等轴α相(尺寸3~5μπκ含量约30νο1%)+β相基体的TC18合金，组织中的等轴α相在热变形过程中形成，且能提高合金的塑性。因此，选用上述组织能够为后续热处理调控等轴α相的含量和尺寸提供了基础，从而达到调控合金塑性的目的。
(2)与传统固溶-时效工艺相比，提高一级热处理温度、延长保温时间，使显微组织中等轴α相的含量大于10vol%、尺寸大于2μπι，片状α相厚度大于0.5 μ m，能够保证合金的塑性和韧性满足0CT190173-75标准要求；同时，升高一级热处理温度能够保留更多的亚稳β相，进而在后续时效过程中促使析出更多细针α相，提高合金强度。
(3)—级热处理之后的冷却方式，采用了水冷和强制空冷。其中:水冷会抑制亚稳β相在冷却过程中的分解，使得在*二级热处理过程中由亚稳β相分解、析出的细针α相大幅增加，即弥散强化效应增强，使合金具有较高的强度；与水冷相比，强制空冷虽然冷却速度相对较慢，但能够使亚稳β相在冷却过程中发生部分分解，引起片状α相长大、变厚，进而在仅略微降低合金强度的条件下，提高合金的断裂韧性。
(4)与传统工艺的时效温度相比，本发明的时效温度选用相对较高的540~600°C范围，在此范围内，不仅能保证细针α相在β晶粒内的大量析出，使合金具有较高的强度，而且能促使少量α相依附于等轴α相和片状α相析出，使得等轴α相和片状α相的含量增加、尺寸长大，在一定程度上提升了合金的塑性和韧性。
综上所述，与传统固溶时效工艺相比，本发明通过综合考虑热处理温度、时间、冷却方式等参数变化对合金组织与性能的影响，能够有效调控合金微观组织中的等轴α相、粗片α相和细针α相含量和尺寸，保证等轴α相含量大于10vol%、尺寸大于2 μ m，片状α相厚度大于0.5 μ m，同时又保有较高含量的细针α相，从而使TC18合金具备较高的强度，并且实现强度、塑性和韧性之间的良好匹配；且工艺简单稳定、操作方便、处理周期短、能耗低，适于工业化生产。
附图4为对比例制备的TC18钛合金的显微形貌。[0027]图中等轴α相、片状α相和细针α相的含量与尺寸均通过像素统计法进行统计确定。
黑色相为α相，其中等轴α相的体积分数为12%、尺寸为3~4μm,片状α相厚度约Ιμm,细针α相长度为2~3μm ;白色相为β相。
黑色相为α，其中等轴α相的体积分数为16%、尺寸为2~3μm,片状α相厚度约0.5 μ m,细针α相长度为2~4 μ m ;白色相为β相。
黑色相为α，其中等轴α相的体积分数为15%、尺寸为4~5μm,片状α相厚度约1.5μm,细针α相长度为I~2μm ;白色相为β相。
黑色相为α，其中等轴α相的体积分数为9%、尺寸为I~3μm,细针α相长度为I~3μm ;白色相为β相。
【具体实施方式】:
下面结合实施实例对本发明做进一步说明。
实施例1
采用Φ 120mmX 150mm的TC18钛合金热锻态棒材，其显微组织由β相和等轴α相组成；等轴α相的体积分数为31%、平均尺寸为3~5 μ m。
测定TC18钛合金热锻态棒材的β转变温度为865±5°C。 一步将合金棒材加热至760°C保温6h后，控制冷却速度为2~3°C /s，强制空冷至室温；第二步将合金棒材加热至540°C保温8h，然后空冷至室温。
本实施例处理后的TC18钛合金棒材室温力学性能参数见表1。
表1实例I中的TC18棒材室温力学性能
1.一种TC18钛合金热处理工艺，包括下述步骤: 一步:一级热处理 将锻态TC18钛合金加热至β相转变温度Te以下60°C~100°C保温2~8h后，以2~.20°C/s的冷却速度冷却至室温；所述锻态TC18钛合金显微组织由β相为基体和等轴α相组成； 二步:二级热处理 将 一步冷却后得到的合金加热至540°C~600°C，保温4~12h后，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于:所述锻态TC18钛合金的名义化学成分为:T1-5Al-5Mo-5V-lCr-lFe。
3.根据权利要求2所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于:所述锻态TC18钛合金显微组织中等轴α相的体积分数为28~35%、平均尺寸为3~5 μ m。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于:一级热处理保温后，合金采取强制空冷或水冷冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于: 一级热处理保温后以5~18°C /s的冷却速度冷却至室温。
6.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于: 一级热处理保温后以8~15°C /s的冷却速度冷却至室温。
7.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于:一级热处理保温后以10~12°C /s的冷却速度冷却至室温。
8.根据权利要求4所述的一种TC18钛合金热处理工艺，其特征在于:处理后的TC18钛合金显微组织中，等轴α相的体积分数为10~18%、平均尺寸为2-5 μ m，片状α相厚度为.0.5-1 μ m.
