1、序言
TC18钛合金(俄标BT22)作为第三代高强韧B型钛合金的典型代表,由俄罗斯全俄航空资料钻研院(VIAM)于20世纪60年代基于航空结构轻量化需要率先开发。其名义成分Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(质量分数)通过多元不变元素协同作用,展示出优异的渗入性与热处置响应个性[2]。已成功代替TC4合金及部门高强钢利用于飞机起落架、机翼接优等关键承力构件[3],成为航空设备减沉增效的主题资料之一。
相较于传统钛合金,TC18的主题优势在于其矫捷的热处置调控能力。钻研批注[2-5],通过固溶时效(STA)、复杂双沉退火(CDA)、通常退火(FA)及去应力退火(SRA)等工艺组合,可在600~1250MPa领域内梯度调控其力学机能。其中,复杂双沉退火因能实现强度、塑性、韧性的最佳平衡,被航空尺度GJB 3763A—2004《钛脊合金热处置》列为推荐工艺;第一阶段高温退火(820~850)℃×2h炉冷至740~760℃升保温1~3h,随后空冷至室温;第二阶段时效处置(500~650)℃×(2~6)h进一步不变组织。该工艺通过精准节造中央缓冷阶段的相改观力学,既可抑造相α+α相与长体转变导致的脆性,又能推进初生α相的均匀析出,为后续时效过程中的水级次生α相的弥散散布提供形核基底[6]。然而,多阶段低温需要导致该工艺存在出产周期长、能耗高、设备依赖性强的高限性,严沉造约了航空航海用大尺寸构件的批产效能。
近年来,简化热处置流程成为TC18工程利用的沉要钻研方向。本文聚焦于通常退火与单一双沉退火(SDA)两种短周期工艺的对比钻研,系统揭示其与复杂双沉退火的微观组织差距及机能演变法规。
2、试验资料及步骤
2.1 试验资料与造备
试验选用15mm厚TC18钛合金热轧板材作为钻研对象,其相对温度经金相法测定为857℃,具体化学成分切合GB/T 3620.1—2016《钛脊合金商标和化学成分》要求(见表1)。板材经两火切割造,制品火次通过65%变形量的控温机造获得指标厚度。
表1 TC18钛合金热轧板材化学成分(质量分数)(%)
| Ti | Al | V | Mo | Cr | Zr | Fe | O |
| 余量 | 5.2 | 5.1 | 5.08 | 1.02 | 0.1 | 1.2 | 0.10 |
2.2 热处置工艺设计
参照GJB 3763A—2004设立复杂双沉退火对照组(编号:00°,热处置造度:835℃×2h/FC~750℃×2h/AC+600℃×4h/AC),其试验了局作为评价基准;诒2所设计的热处置造度,钻研以下3类工艺。
表2 TC18钛合金热轧板材热处置造度
| 试样编号 | 工艺名称 | 热处置造度 |
| 1° | 通常退火 | 795℃×2h/AC |
| 2° | 通常退火 | 835℃×2h/AC |
| 3° | 通常退火 | 875℃×2h/AC |
| 4° | 单一双沉退火 | 795℃×2h/AC+550℃×4h/FC |
| 5° | 单一双沉退火 | 835℃×2h/AC+550℃×4h/FC |
| 6° | 单一双沉退火 | 875℃×2h/AC+550℃×4h/FC |
| 7° | 单一双沉退火 | 795℃×2h/AC+600℃×4h/FC |
| 8° | 单一双沉退火 | 835℃×2h/AC+600℃×4h/FC |
| 9° | 单一双沉退火 | 875℃×2h/AC+600℃×4h/FC |
| 10° | 单一双沉退火 | 795℃×2h/AC+650℃×4h/FC |
| 11° | 单一双沉退火 | 835℃×2h/AC+650℃×4h/FC |
| 12° | 单一双沉退火 | 875℃×2h/AC+650℃×4h/FC |
2.3 表征与检测步骤
选取Instron5982电子全能试验机进行室温准静态拉伸试验,凭据GB/T 228.1—2021《金属资料拉伸试验 第1部门:室温试验步骤》加工试样。显微组织分析通过Olympus GX71光学显微镜实现。
3、复杂双沉热处置试验了局与分析
3.1 室温拉伸机能对比
通过对比热轧芯(0°试样)与复杂双沉退火态(00°试样)的室温拉伸机能(见表3),发现热处置显著扭转了资料的塑性匹配关系,抗拉强度从1536MPa降至1249MPa,降温达18.7%,屈服强度(Rp2)由1406MPa降落至1164MPa,降温达17.2%,但断后伸长率(A)则从2.5%大幅提升至12.5%,增幅达400%,断面收缩率(Z)则从5%大幅提升至26%,增幅420%。上述变动批注,复杂双沉退火工艺有效实现了“就义强度换取塑性”的调控指标,为航空结构件的抗冲击设计提供了机能优化空间。
表3 室温拉伸机能
| 试样编号 | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A(%) | Z(%) |
| 0° | 1536 | 1406 | 2.5 | 5 |
| 00° | 1249 | 1164 | 12.5 | 26 |
3.2 显微组织演化分析
经复杂双沉退火处置后,组织沉构为典型“三态混合”结构:等轴初生α相+层状次生α相+β相转变基体(见图1)。复杂双沉退火通过调控相比例及组织描摹,使TC18钛合金的强塑积从3840MPa%提升至15612.5MPa%,验证了该工艺在两全资料危险容限与承载能力方面的工程价值。
3.3 组织与机能关联机造
(1) 强度降落主因 等轴初生α相比例增长减弱了原始β相晶界强化作用,同时层状次生α相降低了位错活动阻力。
(2) 塑性提升机理[7,8] 等轴α相协调变形能力优于带状组织,延缓部门应力集中;β相转变基体中纳米次生α相通过Orowan机造抑造微裂纹扩大;多尺度α相(微米级初生α相+亚微米级次生α相)形成分级滑移带,提高了应变均匀性。
高强度、低塑性特点;3°试样(875℃×2h/AC):抗拉强度(R m )降落至822MPa,屈服强度(Rp0.2)降落至722MPa,而断后伸长率( A)和断面收缩率( Z)别离提升至15.0%与41%,实现强度、塑性逆转;1°试样(795℃×2h/AC):机能介于二者之间,体现出退火温度对机能的梯度调控能力。
表4 室温拉伸机能
| 试样编号 | Rm/MPa | Rp0.2 /MPa | A(%) | Z(%) |
| 1° | 1066 | 1030 | 6.0 | 30 |
| 2° | 1139 | 1106 | 4.0 | 19 |
| 3° | 823 | 722 | 15.0 | 41 |
4.2 显微组织演化法规
通常退火后金相组织如图2所示。从图2a、b可知,1°、2°试样金相组织为等轴初生α相+β相转变基体,随着通常退火温度升高,初生α相含量削减,β相转变基体含量增长。从图2c可知,当温度高于相转变温度后,初生α相齐全转变为β相。

4、通常退火试验了局与分析
4.1 室温拉伸机能分析
凭据表2中的热处置造度,对1°、2°、3°试样进行通常退火,其室温拉伸机能见表4。试验了局批注,2°试样(835℃×2h/AC):抗拉强度(Rm)降落至1139MPa,塑性显著劣化,断后伸长率( A)仅为4.0%,断面收缩率( Z)降至19%,出现典型的

4.3 组织与机能关联机造
(1)强度变动主因 2°试样高强度源于等轴α相的弥散强化与β相基体中高位错密度;3°试样强度骤降归因于魏氏组织的弱界面结合效应及α相片层间β相的陆续散布。
(2)塑性提升机理 魏氏组织中针状α相的多取向散布推进位错交滑移,延缓颈缩,高温退火解除残存应力,β相比倒增长可提升应变协调能力。
4.4 相变临界温度验证
当初生α相体积分数趋近于零时(3°试样),可判定退火温度(875℃)已超过TC18的β相转变温度(Tβ),与金相法检测了局一致。Tβ以下热处置资料强杜咨α相含量主导,塑性受β相陆续性节造;Tβ以上热处置,组织组化与织物弱化成为机能劣化主因。此温度阈值对工艺设计拥有决定性意思。
5、单一双沉退火试验了局与分析
5.1 热处置工艺参数与机能响应关联性
基于表2热处置造度对4°~12°试样进行单一双沉退火,其室温拉伸机能见表5。试验了局批注。
表5 室温拉伸机能
| 试样编号 | Rm /MPa | Rp0.2 /MPa | A(%) | Z(%) |
| 4° | 1558 | 1477 | 8.0 | 17 |
| 5° | 1699 | 1590 | 4.0 | 13 |
| 6° | 1483 | - | 0.5 | 3 |
| 7° | 1337 | 1284 | 11.0 | 24 |
| 8° | 1404 | 1351 | 7.0 | 15 |
| 9° | 1393 | 1367 | 1.0 | 7 |
| 10° | 1232 | 1166 | 14.0 | 38 |
| 11° | 1347 | 1258 | 10.0 | 26 |
| 12° | 1297 | 1231 | 1.5 | 11 |
1)5°试样(高强度工艺)抗拉强度(Rm )达1699MPa,但断后伸长率( A)仅为4.0%,出现典型脆性断裂特点。
2)10°试样抗拉强度(Rm )1232MPa,断后伸长率( A)为14.0%,与复杂双沉退火态(00°试样)机能靠近,且塑性提升12%,证明简化工艺可实现等效机能调控。
3)第一沉退火温度上升时,抗拉强度(Rm )呈抛物线变动(峰值835℃),断后伸长率( A)呈非线性单调降落(见图3a)。
4)第二沉退火温度上升时,抗拉强度(Rm )呈非线性单调降落,断后伸长率( A)呈非线性单调上升(见图3b)。

5.2 显微组织演化分析
试验批注,单一双沉退火后组织出现温度依赖性差距。
1)低温时效态:4°、7°、10°试样金相组织为初生α相+藐幼次生α相+β相转变基体(见图4)。

2)次生α相随第二沉温度升高而粗化,导致强度降落,从微观维度位于强度的变动趋向(见图3b)。
3)亚稳β相保留态:5°、8°、11°试样金相组织为初生α相+陆续β相基体(见图5),500倍OM下未见次生α相,空冷速度超过β亚稳相分化临界速度,抑造时效α相析出。
4)魏氏组织态:6°、9°、12°试样金相组织为第一沉温度超过T_β后逐步分化,形成粗壮魏氏组织(见图6)。

5.3 工艺分析与优化
(1)00°试样与8°试样对比 00°试样炉冷阶段(835~750℃)触发β相→α相转变,形成清澈的层状次生α相;00°试样通过层状α相协调变形,A提升至12.5%,强塑积达15612.5MPa%。8°试样直接空冷,β相亚稳相在二次时效中未充分分化。10°,导致β相基体占比升高;因而8°试样虽获得高强度(R m = 1404MPa),但断后伸长率(A)仅7.0%,强塑积仅为9828MPa%。由此证明炉冷阶段的沉要性。
(2)00°试样与7°、10°、11°试样对比 单一双沉退火(7°、10°、11°试样)机能与复杂双沉退火00°试样匹配度较高(ΔR m < 5%,ΔA < 2.5%)。证明单一双沉退火可通过精准性温代替复杂缓冷步骤,获得与复杂双沉退火相当的强塑积(10°试样对比00°)。
6、实现语
1)复杂双沉退火通过炉冷(835℃~750℃)工艺触发β相→α相改观力学窗口,形成层状次生α相,而单一双沉退火因空冷速度过快抑造时效析出,导致β相转变基体占比升高。二者组织差距源于中央缓冷阶段的相变触发效应。
2)第一沉退火温度梯度效应:在795~875℃区间,抗拉强度R m 呈抛物线变动(峰值835℃),塑性指标随温度升高单调降落,降幅达8%(ΔA = 14.0% ? 1.0%);第二沉时效温度调控效应:次生α相化速度与温度正有关,验证了“高温时效换塑性”的可行性。
3)筛选出3组高机能单一双沉退火造度:7°试样强塑积14707MPa%,10°试样强塑积17248MPa%,11°试样强塑积13470MPa%。实现与复杂双沉退火(00°试样强塑积15612.5MPa%)等效的强塑性匹配(ΔR m < 5%,ΔA < 2.5%)。
参考文件:
[1] HUANG B Y, LI C G, SHI L K, et al. Chinese material engineering dictionary[M]. Beijing: China Materials Engineering Canon, 2005.
[2] HUANG X, ZHU Z S, WANG H H, et al. Advanced Aeronautical titanium alloys and applications[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2012.
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[4] 中国工程院化工、冶金与资料工程学部与中国资料钻研学会. 中国新资料产业发展汇报[M]. 北京:化学工业出版社,2022.
[5] 李斌. 航空用钛合金TC18板材机造工艺钻研[D]. 西安:西安构筑科技大学,2019.
[6] CHEN Y, WANG K, REN Z. Interaction between phase transformation and static recrystallization during annealing of rolled TC18 titanium alloy[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 202:1-15.
[7] 程欣欣,张明玉,宋一新,等. 热处置温度对TC18钛合金微观组织与冲击机能的影响[J]. 罕见金属与硬质合金,2024, 52 (5):62-67.
[8] 于兰兰,毛幼南,赵永庆,等. 热变形行为与BT22钛合金的组织演变[J]. 罕见金属资料与工程,2007 (3):505-508.
[9] 汤育红,王进,崔明磊,等. 双沉退火工艺对冷B级TC18合金锻件组织和机能的影响[J]. 金属热处置,2024, 49 (11):262-266.
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