热处理工艺对TC4钛合金组织及硬度的影响华.pdf

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第39卷第9期2014年9月HEATTEATMENTOFMETALSVol.39No.9September2014热处理工艺对TC4钛合金组织及硬度的影响甘章华，梁宇，王锦林，刘静（武汉科技大学材料与冶金学院钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，湖北武汉430081）摘要:

研究了TC4钛合金在不同保温温度和冷却速度下热处理后的显微组织及硬度。

结果表明，在970保温冷却后，由于温度稍低于相转变温度，相并没有完全转变为相，冷却后的组织仍有初生相。

在1020以上加热保温后，炉冷和空冷时由于冷却速度较慢，转变生成的相比较粗短且排列紧密，冷却速度越慢相越粗大;油冷和水冷下主要获得片状和针状马氏体组织。

TC4钛合金的硬度随着冷速的增加而增加，但增加幅度不大。

在1020以上保温时，温度对硬度没有明显的影响。

关键词:

TC4钛合金;热处理;显微组织;硬度中图分类号:

TG156文献标志码:

A文章编号:

0254-6051（2014）09-0036-05EffectsofheattreatmentprocessonmicrostructureandhardnessofTC4titaniumalloyGanZhanghua，LiangYu，WangJinlin，LiuJing（KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandesourcesUtilizationofMinistryofEducation，CollegeofMaterialsScienceandEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，WuhanHubei430081，China）Abstract:

MicrostructureandhardnessofTC4titaniumalloywerestudiedunderdifferentheatingtemperatureandcoolingrateTheresultsshowthatheatedat970，becausethetemperatureslightlylowerthanthephasetransitiontemperature，phasedoesnotentirelytransformintophase，theprimaryphasestillexistsaftercoolingWhentheheattemperatureisabove1020，duetotheslowercoolingrateoffurnacecoolingandaircooling，thephasepresentsstubbyandcloselypacked，theslowerthecoolingrate，thephaseismorecoarse，andtheplateandacicularmartensitestructureareobtainedunderoilcoolingandwatercoolingThehardnessofTC4titaniumalloyslightlyincreaseswiththeincreaseofcoolingrateTheinfluenceofheattemperatureonthehardnessisnotobviouswhentheheattemperatureisabove1020Keywords:

TC4titaniumalloy;heattreatment;microstructure;hardness收稿日期:

2014-02-20基金资助:

国家自然科学青年基金（51001083）作者简介:

甘章华（1975），男，副教授，博士，主要从事高熵合金、非晶合金和非平衡凝固研究，发表论文30余篇，联系电话:

15697180858，E-mail:

gumpgzhaliyuncomdoi:

1013251/jissn0254-6051201409009钛合金的性能与它的微观组织形貌有着密不可分的联系，其常见的显微组织主要有4种:

等轴组织、网篮状组织、双态组织和魏氏组织1-2。

而微观组织取决于热处理工艺，因此，研究钛合金热处理工艺对组织性能的影响具有重要意义3。

目前关于钛合金热处理的研究主要是淬火过程中发生的同素异构转变，而根据冷却速度和合金成分的不同，发生的主要相变有:

、4-5。

Malinov等6发现Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-008Si等钛合金在不同的热处理条件下（锻态、炉冷、水冷、水冷后时效），合金中、和相的量各不同。

Ahmed等7研究了不同冷却速度对Ti6Al4V钛合金相变的影响，得到不同冷速下的组织，研究发现冷速为410525/s时，只发生马氏体转变;冷速为20410/s时，发生块状转变，为马氏体和块状的混合组织;黄辉等8应用高温形变热处理技术研究了热处理工艺对TC4钛合金显微组织和力学性能的影响，结果表明TC4钛合金经不同的形变量淬火后得到的介稳组织均为+相，相呈针状，形变量越大，针状相越细。

曾卫东等9研究了TC11钛合金经区加工后不同冷却方式（水冷、油冷、空冷和炉冷等）对显微组织和力学性能的影响，发现水冷可以减少晶界相的析出，晶内得到短、细和无规则排列的针状相;空冷和炉冷条件下，晶界连续完整，并有大块析出。

本文报道了TC4钛合金在不同保温温度和冷却速度下的显微组织。

1试验材料与方法试验材料为退火态TC4厚板，化学成分如表1所示。

试样尺寸为10mm10mm5mm。

将4组试样分别在970、1020、1100和1200保温30min，然后进行炉冷、空冷、油冷和水冷。

热处理设备采用高温箱式电阻炉。

第9期甘章华，等:

热处理工艺对TC4钛合金组织及硬度的影响37表1TC4钛合金的化学成分（质量分数，%）Table1ChemicalcompositionofTC4titaniumalloy（wt%）AlVFeCNHOTi6063920300013001400014015Bal试样热处理后，经过镶样、磨样、抛光、腐蚀制备成金相试样，金相样品腐蚀剂为HFHNO3H2O=1445。

采用AxioPlan2型金相显微镜观察试样组织形貌;采用NaNo400场发射扫描电镜观察高倍显微组织。

2试验结果与分析21组织分析图1所示为TC4钛合金970下保温30min后，分别在炉冷、空冷、油冷和水冷下的显微组织。

可以看出，炉冷组织为等轴状相，晶界处有少量的相，见图1（a）;空冷组织为等轴状初生相和针状相，初生相呈发亮的颗粒，而相发暗，见图1（b）;油冷和水冷组织均为针状马氏体和片状相，见图1（c，d）。

图1TC4合金970加热后不同冷却方式下的显微组织（a）炉冷;（b）空冷;（c）油冷;（d）水冷Fig1MicrostructureoftheTC4alloyheatedat970andcooledwithdifferentcoolingway（a）furnacecooling;（b）aircooling;（c）oilcooling;（d）watercooling图2为TC4钛合金在1020下保温30min后，分别在炉冷、空冷、油冷和水冷下的显微组织。

炉冷显微组织如图2（a）所示，晶界相随着温度的缓慢降低而变厚，同时晶内相由短变长，由窄变宽，其组织排列紧密且粗大;空冷组织为粗短的相组织，包括厚且连续的晶界相和晶内沿一定惯习面析出的相互平行的相集束，如图2（b）;图2（c）为油冷组织，相晶界粗厚且连续，由于冷却时有一定过冷度，生成少量针状马氏体;水冷组织为细针状相，并且隐约可见原始相晶界，如图2（d），这是由于高温相的析出在较快的冷速下来不及进行，晶内相以切变方式转变为淬火马氏体，在热处理时分解为细密且位向无规则的细针状相。

由此可见，不同冷却速度对显微组织有显著的影响。

图3和图4分别为TC4钛合金在1100和1200下保温30min后，在炉冷、空冷、油冷和水冷下的显微组织。

这两种温度下不同冷速对组织影响的整体变化趋势与图2相似。

随保温温度的升高，炉冷和空冷组织有变粗大的趋势。

在1200下保温后空冷时，得到粗大的相组织。

水冷时均得到马氏体组织，马氏体组织大小受保温温度变化影响较小。

比较图1图4可以看出，TC4钛合金在970下保温，由于温度稍低于相转变温度，只有少量相38第39卷图2TC4合金1020加热后不同冷却方式下的显微组织（a）炉冷;（b）空冷;（c）油冷;（d）水冷Fig2MicrostructureoftheTC4alloyheatedat1020andcooledwithdifferentcoolingway（a）furnacecooling;（b）aircooling;（c）oilcooling;（d）watercooling图3TC4合金1100加热后不同冷却方式下的显微组织（a）炉冷;（b）空冷;（c）油冷;（d）水冷Fig3MicrostructureoftheTC4alloyheatedat1100andcooledwithdifferentcoolingway（a）furnacecooling;（b）aircooling;（c）oilcooling;（d）watercooling第9期甘章华，等:

热处理工艺对TC4钛合金组织及硬度的影响39图4TC4合金1200加热后不同冷却方式下的显微组织（a）炉冷;（b）空冷;（c）油冷;（d）水冷Fig4MicrostructureoftheTC4alloyheatedat1200andcooledwithdifferentcoolingway（a）furnacecooling;（b）aircooling;（c）oilcooling;（d）watercooling转变为相，因此炉冷时可以得到细小的等轴状相和晶界处少量的相;在快冷时相来不及转变为相，原始相晶界被破坏但隐约可见，片状相沿晶界向晶内生长，针状马氏体在晶内生长，短小并无规则排列。

保温温度升高到相转变温度以上，炉冷时由于温度缓慢降低，晶界越来越厚，晶内由短变长，由窄变宽，组织变得更粗大;水冷时，由于冷速快，高温相析出过程来不及进行，导致原始晶界隐约可见，晶内相以无扩散的切变方式转变为淬火马氏体，在热处理时分解为细密且位向无规则的细针状相，且随着保温温度升高，针状马氏体增多。

图5为TC4钛合金970下保温30min后，炉冷和水淬下的SEM形貌，炉冷组织为细小均匀的等轴状晶粒，如图5（a）;水冷组织为初生相、片状相和针状马氏体的混合组织，如图5（b）。

图6为TC4钛合金在1200下保温30min后，经炉冷和水淬后的SEM形貌，炉冷组织为粗大的片状相，排列紧密，如图6（a）;水冷组织为针状相马氏体组织，如图6（b）。

对比图5和图6可知，当加热温度为970时，稍低于相变温度，炉冷时晶粒比较细小，随着加热温度的升高，当高于相转变温度时，引起相晶粒急剧长大，炉冷组织为粗大的相;水冷淬火