三火次鍛造-雙重退火耦合工藝對(duì)TC21鈦合金鍛件顯微組織與力學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制研究——闡明溫度區(qū)間與變形量協(xié)同作用對(duì)α相長(zhǎng)寬比及β晶界的影響，優(yōu)化強(qiáng)塑性匹配

本研究針對(duì)傳統(tǒng)工藝路線生產(chǎn)的TC21鈦合金鍛件顯微組織不理想的問(wèn)題，提出了一種新型加工工藝路線：鍛造(Tβ-30℃)+鍛造(Tβ+15℃)+鍛造(Tβ-30℃)+雙重退火。該方法通過(guò)特定的溫度區(qū)間進(jìn)行多階段變形，最終獲得具有細(xì)小β晶粒、破碎晶界以及短棒狀片層α相的微觀結(jié)構(gòu)。此微觀結(jié)構(gòu)顯著提升了合金的強(qiáng)度水平，同時(shí)保持了高塑性和斷裂韌性，滿(mǎn)足了航空航天TC21鈦合金鍛件的高性能要求。通過(guò)3次驗(yàn)證性試驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了新型鍛造工藝的有效性，所制備的TC21鈦合金鍛件在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等方面均較好。

TC21鈦合金因其低密度、比強(qiáng)度大、耐蝕性好以及良好的強(qiáng)度和塑性匹配度在航空航天、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域備受關(guān)注。該合金Mo當(dāng)量高達(dá)5.6，使得TC21鈦合金在高溫環(huán)境下也擁有較高的強(qiáng)度和韌性，成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的首要選材。然而，盡管TC21鈦合金具有諸多優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)鍛造工藝路線在生產(chǎn)過(guò)程中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的鍛造方法通常包括加熱、變形和冷卻三個(gè)主要步驟，但因TC21鈦合金復(fù)雜的相變行為以及對(duì)溫度和變形量的高度敏感性，傳統(tǒng)工藝往往難以精確控制這些參數(shù)，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的顯微組織不理想，具體表現(xiàn)為β晶粒尺寸較大、α片層分布不均勻等問(wèn)題。

這些問(wèn)題不僅影響了材料的微觀結(jié)構(gòu)，也限制了其力學(xué)性能的表現(xiàn)，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性和塑性等。國(guó)內(nèi)外的研究普遍指出，傳統(tǒng)鍛造工藝生產(chǎn)的TC21鈦合金鍛件難以滿(mǎn)足新型飛機(jī)鍛件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)綜合性能的嚴(yán)格要求，這已成為制約該合金進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。盡管TC21鈦合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已有數(shù)十年的歷史，但在追求更高強(qiáng)度和更好塑性的平衡時(shí)仍然存在諸多問(wèn)題。不同國(guó)家和地區(qū)的研究團(tuán)隊(duì)采取了多種策略，例如調(diào)整化學(xué)成分、優(yōu)化熱處理工藝、引入先進(jìn)的加工技術(shù)等，然而這些方法效果較差、成本高昂，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

因此，本研究旨在深入探討TC21鈦合金鍛造過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變機(jī)制及其對(duì)力學(xué)性能的影響，通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析，在現(xiàn)有鍛造工藝的基礎(chǔ)上提出了新型工藝路線。期望能夠?yàn)槲磥?lái)TC21鈦合金的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障，從而促進(jìn)航空工業(yè)及其他高科技領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

1、試驗(yàn)材料及方法

TC21鈦合金主要由Ti-Al-V系組成，添加了適量的Mo和其他微量元素以改善其機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。本試驗(yàn)所用原材料為T(mén)C21鈦合金棒材，相變點(diǎn)為965℃，名義成分如表1所示。棒材通過(guò)制坯后在400MN模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行模鍛，終鍛溫度為820℃，單火次變形量控制在5%~30%內(nèi)。

表1TC21鈦合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鍛造的技術(shù)基礎(chǔ)是反復(fù)加熱和鐓拔，通過(guò)合金組織靜態(tài)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒并調(diào)控合金的組織形態(tài)，而影響鍛造工藝的最重要參數(shù)之一就是鍛造溫度，單相區(qū)鍛造時(shí)主要發(fā)生β晶粒的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，雙相區(qū)鍛造時(shí)主要發(fā)生α相的球化。目前，國(guó)內(nèi)TC21鈦合金鍛件的傳統(tǒng)工藝路線為準(zhǔn)β鍛造+雙重退火。因加熱鍛造過(guò)程在β相區(qū)進(jìn)行，最終鍛件容易形成的組織特征為：β晶粒過(guò)分粗大、具有較完整晶界，且晶界α相鑲邊嚴(yán)重，晶內(nèi)片層狀α相長(zhǎng)寬比大于15，導(dǎo)致鍛件性能出現(xiàn)強(qiáng)度較弱、塑性較低的現(xiàn)象。

針對(duì)于傳統(tǒng)鍛造工藝存在的問(wèn)題，本研究提出了一種新型鍛造工藝：鍛造(Tβ-30℃)+鍛造(Tβ+15℃)+鍛造(Tβ-30℃)，并使用TC21鈦合金棒材進(jìn)行了多次試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示，A為傳統(tǒng)的TC21鈦合金鍛造工藝；B和C為新型鍛造工藝，相較于傳統(tǒng)工藝增添了鍛造火次（雙相區(qū)鍛造），變量為每火次變形量，冷卻方式為空冷。試驗(yàn)完成后對(duì)TC21鈦合金鍛件的顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

表2新型鍛造工藝試驗(yàn)方案

注：雙重退火工藝參數(shù)為：920℃保溫2h，空冷；595℃保溫4h，空冷。

2、結(jié)果與分析

圖1為T(mén)C21鈦合金經(jīng)上述工藝鍛造后的鍛件力學(xué)性能。由圖1(a)可知，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，傳統(tǒng)鍛造工藝處理后的試樣強(qiáng)度最低，當(dāng)在傳統(tǒng)鍛造工藝基礎(chǔ)上增加了第三火后，強(qiáng)度改善明顯，這意味著在準(zhǔn)β鍛后添加雙相區(qū)鍛造有利于提升鍛件強(qiáng)度，雙相區(qū)鍛造能夠調(diào)節(jié)α相形態(tài)分布，有利于提升組織均勻性，避免β晶粒粗化，同時(shí)，結(jié)合B、C的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以確定三火鍛造的變形量和鍛件強(qiáng)度呈正向線性趨勢(shì)。

變形量是控制合金組織細(xì)化的關(guān)鍵因素之一，變形量的增加提高了再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，DRX過(guò)程愈加完善從而促使了晶粒細(xì)化，單相區(qū)在鍛造后殘留的粗大β晶界和晶界α相完全破碎，為冷卻過(guò)程中析出片層α相提供更多的形核位點(diǎn)，隨后熱處理過(guò)程中這些片層α相進(jìn)一步生長(zhǎng)排列，最終形成交錯(cuò)排列的網(wǎng)籃組織，保證了合金強(qiáng)度。

圖1(b)中展示了TC21鈦合金經(jīng)鍛造后的斷后延伸率和斷面收縮率，整體結(jié)果較好，對(duì)比各試驗(yàn)方案所得鍛件的塑性測(cè)試結(jié)果可知，新型鍛造工藝有利于塑性提升。隨著雙相區(qū)鍛造的變形量增加，塑性也隨之提高，這與其再結(jié)晶水平密切相關(guān)。

綜合對(duì)比鍛件的強(qiáng)度和塑性測(cè)試結(jié)果可知，TC21鈦合金經(jīng)新型鍛造工藝鍛造后，鍛件的強(qiáng)塑性匹配結(jié)果最佳，并且在第三火變形量為25%時(shí)的強(qiáng)度最佳。為了明確其顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系，對(duì)鍛件進(jìn)行了金相顯微組織觀察。

圖2為T(mén)C21鈦合金經(jīng)上述工藝鍛造后的鍛件顯微組織，針狀α相互相交錯(cuò)，α片層寬度在3~5μm之間，長(zhǎng)寬比<15，無(wú)明顯β晶界存在。顯微組織決定著力學(xué)性能，對(duì)于雙相鈦合金來(lái)說(shuō)，由于α相含量較高，調(diào)節(jié)合金顯微組織的核心在于細(xì)化α相。現(xiàn)有研究表明，只能通過(guò)相變點(diǎn)以下大塑性變形才能使片狀α相向球狀α相高效轉(zhuǎn)變。因此，TC21鈦合金在雙相區(qū)鍛造有利于調(diào)節(jié)α相分布，降低α相的長(zhǎng)寬比。而TC21鈦合金在β相區(qū)鍛造的過(guò)程是原始晶界破碎和α相析出動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)程，在準(zhǔn)β溫度進(jìn)行加熱，原始β晶粒未完全長(zhǎng)大，晶界不連續(xù)。

在鍛造過(guò)程中，β晶粒幾近完全破碎，溫降過(guò)程中析出的α相經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成編織良好的網(wǎng)籃組織（圖2），提升合金強(qiáng)度。然后，該組織再經(jīng)過(guò)α+β相區(qū)變形，網(wǎng)籃組織中片層α相經(jīng)過(guò)小變形后，部分再次發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成短棒狀片層α相，提升合金塑性，同時(shí)調(diào)節(jié)整體α相形態(tài)分布。TC21鈦合金經(jīng)新型鍛造工藝處理后，隨著雙相區(qū)鍛造變形量的提升，片層狀α相球化程度提高，長(zhǎng)寬比值較小，這與圖1(b)中的塑性結(jié)果相符，并且無(wú)粗大的球狀α相存在，組織均勻性有所提升，如圖2(c)所示。當(dāng)TC21鈦合金在單相區(qū)鍛造并空冷后，形成的組織一定是片層組織，殘留的初生α相也趨于片層狀，而后經(jīng)雙相區(qū)鍛造+雙重退火后，鍛件的顯微組織中出現(xiàn)了尺寸差距較大的球狀α相，如圖2(b)所示，這意味著雙相區(qū)鍛造時(shí)的變形量較小，不足以為再結(jié)晶提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。因此，在保證較小變形抗力的前提下盡可能地提高變形量有利于形成不含球狀α相網(wǎng)籃組織，獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。

結(jié)論

TC21鈦合金經(jīng)新型鍛造工藝鍛造后，強(qiáng)度提升效果顯著且塑性?xún)?yōu)異。TC21鈦合金經(jīng)鍛造(Tβ-30℃)+鍛造(Tβ+15℃)+鍛造(Tβ-30℃)+雙重退火，形成了均勻分布的網(wǎng)籃組織，其片層α相長(zhǎng)寬比較低，無(wú)明顯β晶界以及晶界α相鑲邊現(xiàn)象存在，此時(shí)鍛件強(qiáng)塑性匹配較好，綜合性能最優(yōu)。

雙相區(qū)鍛造的變形量提升有利于單相區(qū)鍛造后的粗大晶界以及晶界α相進(jìn)一步破碎，為后續(xù)形成片層α相提供更多的形核位點(diǎn)，使得鍛件最終的顯微組織呈現(xiàn)為細(xì)密片層α相交織排列的網(wǎng)籃組織。因此，在保證較小變形抗力的前提下，需盡可能地提高變形量，調(diào)節(jié)其顯微組織形態(tài)以獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

（注，原文標(biāo)題：新型鍛造工藝對(duì)TC21鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響）