钛合金因其比强度高、密度低、耐腐蚀性和耐高温等特点，成为飞机和发动机的重要结构材料。随着航空航天事业的迅速发展，飞行器结构材料对高强高韧钛合金材料的需求日益紧迫，因此损伤容限型钛合金受到了更加广泛关注，成为航空结构钛合金的重要发展方向。美国开发的Ti-6-22-22S 是一种强度在1 100 MPa 的损伤容限型钛合金材料，其已经在第四代战斗机F-22 上得到了应用。中国自主研制的TC21 钛合金材料与Ti-6-22-22S 强度相当，因其优异的综合力学性能，已在宇航领域得到大量使用。TC21 合金的名义成分为Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb，其合金相变点为(955±10)℃，室温抗拉强度可达1 050～1 100 MPa，断裂韧性可达70 MPa·m1/2[1-14]。
为了进一步改善合金的力学性能和工艺性能，TC21 合金需要进一步热处理改善合金显微组织。西安建筑科技大学牛蓉蓉[15]研究发现，热处理后的冷却速率对组织有很大的影响，无论是β 相区热处理或是两相区热处理，初生α 相含量随着固溶处理冷却速度的降低而增加，β 转变组织含量变化则相反。说明固溶热处理时随着冷却速率的增加，合金组织中形成的亚稳相数量增加，在随后的时效过程中可析出的次生α 相数量及弥散分布程度增加，导致合金的强度提高，塑性下降。西北工业大学王义红等[16]研究发现TC21 合金的显微硬度依赖于时效温度和时效时间，时效时间延长，合金显微硬度先迅速增大，达到最大值后再逐渐减小。时效温度升高时，合金显微硬度达到最大值的时间缩短，且合金最终的显微硬度随时效温度的升高而降低。燕山大学张启飞等[17]研究了近β 型钛合金Ti55531 时效处理对合金微观组织演变规律及合金在拉伸变形时的断裂机制。结果表明，次生片层αs 相对时效参数变化比初生α 相更敏感，其厚度与时效温度或时效时间呈线性正相关。可以看出，目前研究关于TC21 合金固溶和时效处理的目的是在牺牲材料一部分塑性的情况下提升材料强度，然而由于TC21 合金显微组织演变的复杂性，缺少关于固溶和时效处理对力学性能的系统性研究[18-19]。本文通过将TC21 钛合金在两相区进行固溶处理后，快速水冷，并研究不同时效温度、时效时间对TC21 钛合金组织和性能的影响。旨在探究出最佳热处理制度，实现TC21 合金强韧性的良好匹配，从而为实际加工生产提供数据支撑和指导。
1 实验方法
实验采用的TC21 钛合金棒材，合金成分见表1。经金相法测得的相变点为960～965 ℃，合金下料后按照表2 的热处理制度进行整体热处理后取样，进行力学性能及显微组织试验。力学性能表征主要是通过测量其拉伸及冲击性能。拉伸性能试样是按照GB/T 228-2002[20]的要求加工的标准R7 试样，试验在INSTRON 型电子万能试验机上进行，拉伸速率为0.45 mm/min。冲击性能的测定采用缺口冲击试验，按照GB/T 229-2020[21]的要求加工为10 mm×10 mm 的标准冲击试样并开“U”型缺口，在冲击试验机上完成冲击试验。显微组织、拉伸断口观察分别是在OLYNPUS/PMG3 型光学显微镜、JMS-6700 型扫描电子显微镜上完成。
表1 TC21 钛合金化学成分
Tab.1 Chemical composition of TC21 titanium alloy
表2 TC21 钛合金热处理试验方案
Tab.2 Heat treatment test plan for TC21 titanium alloy
2 实验结果及讨论
2.1 时效时间对合金组织和性能的影响
2.1.1 显微组织
图1 为900 ℃×120 min，水冷处理后，600 ℃不同时效时间处理的合金显微组织。可以看出随着时效时间的延长，合金显微组织中的初生α 相的尺寸变化不大，在光学显微镜下未观察到明显的次生α 相。
图1 经过900 ℃×120 min 固溶处理后，600 ℃下不同时效时间TC21 合金的显微组织：(a)240 min,(b)360 min,(c)480 min
Fig.1 Microstructure of TC21 alloy with different aging time at 600 ℃after 120 min of solid solution treatment at 900 ℃:(a)240 min,(b)360 min,(c)480 min
2.1.2 室温力学性能
图2～3 为时效时间对合金强度、塑性的影响规律，其中Rm 为抗拉强度、Rp0.2 为屈服强度、A 为伸长率、Z 为断面收缩率。图4 为时效时间对合金冲击性能的影响规律，其中KU2 为冲击功，aku 为冲击韧性。
图2 时效时间对合金强度的影响
Fig.2 Effect of aging time on the strength of alloy
图3 时效时间对合金塑性的影响
Fig.3 Effect of aging time on the plasticity of alloy
图4 时效时间对合金冲击性能的影响
Fig.4 Effect of aging time on the impact performance of alloy
由图2～4 可以看出，合金分别经240、360、480 min时效处理，240 min 时效处理后，合金的强度达到最高，而延长时效时间至360 min，合金的强度有所降低，继续延长时效时间，合金的强度变化不大。由此可知，合金在240～480 min 时效时，360 min 时效时合金抗拉强度最低为1 423 MPa，伸长率为9.5%、断面收缩率为26.5%，但合金的冲击韧性较低为17.5 J/cm2。
对于双相钛合金来说，时效过程就是在固溶处理时产生的亚稳定相，按一定的方式分解，析出细小弥散的次生α 相，从而起到弥散强化的效果[22]。一般来说，合金时效处理时如果不超过时效峰的情况下，随着时效时间的延长，合金的强度应该会有所升高，从上述结果可以看到，时效时间为240 min时合金的强度最高可以达到1 468 MPa，但伸长率和断面收缩率为7%和20%。因此延长时效时间至360 min 可以在强度降低的情况下提高合金的塑性。
2.2 时效温度对合金组织和力学性能的试验结果
2.2.1 显微组织
图5 为固溶处理后，不同时效温度下合金的显微组织。可以看出，随着时效温度升高，从600 ℃时效开始，合金中的次生α 相有了明显长大，时效温度越高，这种长大效果越明显。
图5 经过900 ℃×120 min 固溶处理后，360 min 下不同时效温度TC21 合金的显微组织：(a)560 ℃,(b)580 ℃,(c)600 ℃,(d)620 ℃,(e)640 ℃,(f)660 ℃
Fig.5 Microstructure of TC21 alloy at different aging temperatures for 360 min after 120 min of solid solution treatment at 900 ℃:(a)560 ℃,(b)580 ℃,(c)600 ℃,(d)620 ℃,(e)640 ℃,(f)660 ℃
2.2.2 室温力学性能
由图6～8 可以看出，随着时效温度的升高合金的强度逐渐下降，从1 592 MPa 降至1 334 MPa，合金的伸长率明显提高从3.5%上升至12%。经900 ℃×120 min，水冷，660 ℃×360 min，空冷处理后，合金强度仍保持在1 300 MPa 以上，同时合金的伸长率和断面收缩率均保持在较高水平。对于双相钛合金来说，组织中次生α 相的含量和尺寸对其性能有着重要的作用。600 ℃以下进行时效处理时，合金中次生α 相长大的驱动力不够，次生α 相细小且弥散分布，有助于提高合金强度，而600 ℃以上进行时效处理时，合金中的次生α 相明显长大、粗化，合金的强度较高。继续提高时效温度，合金强度下降较缓慢。
图6 时效温度对合金强度的影响
Fig.6 Effect of aging temperature on the strength of alloy
图7 时效温度对合金塑性的影响
Fig.7 Effect of aging temperature on the plasticity of alloy
图8 时效温度对合金冲击性能的影响
Fig.8 Effect of aging temperature on the impact performance
2.3 合金断口分析
金属材料的韧性和脆性，是根据一定条件下的塑性变形量来规定的，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5%为脆性断裂。反之，大于5%则为韧性断裂[23]。图9 中4 种热处理制度的合金断面收缩率均大于5%，合金断口表现为韧性断裂的特征，断口有一定的缩颈，且断口上存在大量的韧窝。4 种热处理制度下的合金虽然都为韧性断裂，但因塑性不同，表现出不同的断口特征。由此可知，随着合金强度的提高，塑性下降，合金断口的缩颈现象表现得越不明显。
图9 不同时效制度下宏观拉伸断口：(a)560 ℃×360 min,(b)580 ℃×360 min,(c)600 ℃×360 min,(d)600 ℃×480 min
Fig.9 Macroscopic tensile fracture surface under different aging treatments:(a)560 ℃×360 min,(b)580 ℃×360 min,(c)600 ℃×360 min,(d)600 ℃×480 min
合金通过第二相强化的方式进行强化时，当塑性变形发展到一定程度，第二相质点本身破裂，或与基体脱离形成微孔，大量微孔聚集便形成了韧窝。从图10 可以看出，合金强度较高时，其起到强化作用的第二相密度越大，其韧窝小且较浅。随着合金强度的提高，合金拉伸断口上的韧窝明显变小且变浅[18]。
图10 不同时效制度下拉伸断口：(a)560 ℃×360 min,(b)580 ℃×360 min,(c)600 ℃×360 min,(d)600 ℃×480 min
Fig.10 Tensile fracture surface at 2 000×magnification under different aging treatments:(a)560 ℃×360 min,(b)580 ℃×360 min,(c)600 ℃×360 min,(d)600 ℃×480 min
3 结论
(1)TC21 钛合金在600 ℃下不同时效时间热处理时，240 min 时效时合金强度最高至1 468 MPa，但伸长率和断面收缩率仅为7%和17%；延长时效时间至360 和480 min 时合金的强度有所下降，360 min 时合金抗拉强度最低为1 423 MPa，伸长率及断面收缩率可以达到9.5%、26.5%。
(2)TC21 钛合金在360 min 不同时效温度下热处理时，随时效温度提高，合金强度明显下降，伸长率明显提高，主要是由于合金中起强化作用的次生α 相随时效温度的提高明显长大、粗化，强化作用下降。
(3)合金经900 ℃保温120 min、水冷，600 ℃保温360 min、空冷处理时其强度和塑性匹配效果最佳。
(4)TC21 钛合金在两相区固溶处理快速冷却时，时效处理后合金断口均表现出塑性断裂的断口特征，随着强度的提高合金断口上的韧窝越来越浅且较小。
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