Ti55531合金棒材與鍛件熱處理工藝優(yōu)化及性能突破：棒材經(jīng)固溶溫度調(diào)控（T1-T3）和時(shí)效溫度優(yōu)化（575-650℃），初生α相形態(tài)與分布主導(dǎo)強(qiáng)塑性，鍛件在600℃時(shí)效時(shí)室溫抗拉強(qiáng)度1340MPa、伸長率7.0%，500℃高溫抗拉強(qiáng)度997MPa

引言

Ti55531合金屬于β合金，是由BT22合金發(fā)展而來的一種具有高強(qiáng)度和高斷裂韌性的新型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr。與當(dāng)前廣泛應(yīng)用于大型民用客機(jī)上的Ti-1023合金相比，Ti55531合金不會(huì)產(chǎn)生明顯的成分偏析，且室溫抗拉強(qiáng)度提高了約15%。該合金具有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，在生產(chǎn)過程中以空冷工藝代替水淬工藝，可以改善殘余應(yīng)力對其后續(xù)機(jī)加工的影響，從而降低其加工成本。

目前，Ti55531合金已成功替代Ti-6Al-4V和Ti-1023合金應(yīng)用于飛機(jī)的起落架、機(jī)翼等20多種承力部件上,并使這些部件質(zhì)量減小8%。

目前,國內(nèi)已逐步對該合金開展相關(guān)研究[1-2]但可查的公開報(bào)道并不多見。因此,作者通過鍛造制備了Ti55531合金棒材和鍛件,然后對其進(jìn)行不同的固溶時(shí)效熱處理，研究了熱處理工藝對其顯微組織和拉伸性能的影響。

1、試樣制備與試驗(yàn)方法

采用真空自耗爐通過三次熔煉制備了 Ti55531鈦合金鑄錠,然后再經(jīng)開坯、β單相區(qū)鍛造、α+β兩相區(qū)鍛造后獲得?250mm的棒材,棒材在兩相區(qū)的變形量控制在60%以上。然后分別對棒材按如下2個(gè)方案進(jìn)行處理。

其一:沿棒材橫向切取試樣，采用表1所示的工藝參數(shù)進(jìn)行熱處理(固溶+時(shí)效熱處理),以研究熱處理工藝對棒材組織和性能的影響。表1中,T1,T2,T3分別為固溶溫度,t1為固溶時(shí)間,t2為時(shí)效時(shí)間,T₁<T₂<T₃。

表1 Ti55531合金棒材的熱處理工藝及其熱處理后的拉伸性能

其二:直接對棒材進(jìn)行等溫鍛造(終鍛在兩相區(qū),總變形量大于50%),鍛件外形呈餅環(huán)狀,外形尺寸為580mm;沿鍛件橫向切取試樣,按表1試樣b和d的工藝對鍛件進(jìn)行熱處理，以研究熱處理工藝對鍛件組織和性能的影響。

采用DSX100型光學(xué)顯微鏡觀察試驗(yàn)合金的顯微組織，腐蝕劑為1%HF+3%HNO₃+96%水;參考GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)》和GB/T4338-2006《金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法》，在ZWICK-Z150型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸為?10mm×55mm，應(yīng)變速率為0.0025s^-1(屈服前)和0.008s^-1(屈服后),高溫拉伸試驗(yàn)的溫度為500℃。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1對合金棒材組織和性能的影響

由表1可以看出，對于時(shí)效工藝參數(shù)相同而固溶工藝參數(shù)不同的試樣a,c,f而言,隨著固溶溫度從T1升至T3,室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸增大,抗拉強(qiáng)度由1235 MPa增至1415 MPa，屈服強(qiáng)度由1 225 MPa增至1370 MPa;而伸長率和斷面收縮率則呈快速下降的趨勢，分別由8.00%和30.0%降至2.25%和6.75%。對于固溶工藝參數(shù)相同而時(shí)效工藝參數(shù)不同的試樣b,c,d,e而言，隨著時(shí)效溫度從650℃降至575℃，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸增大，抗拉強(qiáng)度從1221MPa增至1406MPa，屈服強(qiáng)度由1150 MPa增至1339 MPa;伸長率和斷面收縮率的下降亦很明顯,分別從4.75%和18.5%降至0.5%和6.0%。

可見,確定合適的固溶溫度和時(shí)效溫度可使Ti55531合金實(shí)現(xiàn)最佳的強(qiáng)度和塑性匹配。

由圖1可以看出，隨著固溶溫度升高，初生a相從彌散的顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀或短棒狀,達(dá)到一定溫度后全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣戮Я?且β晶粒內(nèi)的片狀a均呈細(xì)針狀。這說明此時(shí)的溫度已經(jīng)到達(dá)β相的轉(zhuǎn)變溫度。升高固溶溫度可使Ti55531合金的組織發(fā)生改細(xì)針狀。這說明此時(shí)的溫度已經(jīng)到達(dá)β相的轉(zhuǎn)變溫度變,滿足合金高強(qiáng)度的要求,但當(dāng)固溶溫度高于Tβ(β相轉(zhuǎn)變溫度)后，相消失，β晶粒形成并長大，從而導(dǎo)致合金的強(qiáng)度增大，塑性下降。為避免β晶粒形成和快速長大,Ti55531合金的固溶溫度不宜超過Tβ,這樣可以獲得晶粒尺寸合適并同時(shí)含有初生α相和次生α相混合的雙態(tài)組織[3]。此類組織的綜合性能較好,是鈦合金中廣泛采用的組織類型。

由圖2可以看出，隨著時(shí)效溫度逐漸降低，在黑色基體上分布著的白色短棒狀或條狀α相逐漸溶解，球化析出彌散的顆粒，其面積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%~30%。可見，時(shí)效溫度的降低導(dǎo)致組織發(fā)生變化，這將會(huì)導(dǎo)致其室溫拉伸性能發(fā)生很大變化。結(jié)合表1可見，時(shí)效溫度降低50℃，室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加了約200MPa，伸長率和斷面收縮率下降明顯，尤其是伸長率下降到了0.5%。這說明時(shí)效溫度對Ti55531合金室溫拉伸性能的影響更大。

2.2對鍛件組織和性能的影響

從表2可以看出，隨著時(shí)效溫度從650℃降至600℃，Ti55531合金鍛件在室溫和500℃下的抗拉強(qiáng)度均增大，伸長率和斷面收縮率則均降低，這與棒材的試驗(yàn)結(jié)果相符。此外，當(dāng)時(shí)效溫度為650℃時(shí)，雖然塑性指標(biāo)比較好，但是室溫拉伸強(qiáng)度不能滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，屬于不合格產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)中該熱處理制度不能選用;當(dāng)時(shí)效溫度為600℃時(shí)，Ti55531合金達(dá)到了良好的強(qiáng)度和塑性匹配，強(qiáng)度和塑性指標(biāo)都能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 Ti55531合金鍛件經(jīng)不同熱處理后的橫向拉伸性能

由于鍛件是最終的熱加工產(chǎn)品，其變形量比較充分，熱加工過程已使組織充分變形，因此在光學(xué)顯微鏡下看不出時(shí)效溫度調(diào)整前后的組織變化，如圖3和圖4所示,均為兩相區(qū)鍛造的彌散、細(xì)小的α顆粒分布在黑色的轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w上，不同區(qū)域組織的均勻性基本一致。

3、結(jié)論

(1)隨著固溶溫度升高，Ti55531合金棒材中的初生α相由顆粒狀變?yōu)闂l狀或短棒狀,直至全部變?yōu)棣孪?隨著時(shí)效溫度降低，短棒狀或條狀α相逐漸溶解并球化析出α顆粒。

(2)隨著固溶溫度升高，合金室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯增大，伸長率和斷面收縮率則大幅下降;隨著時(shí)效溫度降低，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸增大，伸長率和斷面收縮率明顯降低。

(3)為使鈦合金棒材的室溫強(qiáng)度和塑性達(dá)到最佳匹配，固溶溫度應(yīng)控制在相變點(diǎn)以下，時(shí)效溫度宜選擇在600~620℃區(qū)間。

(4)固溶溫度在相變點(diǎn)以下,時(shí)效溫度在600℃時(shí)，Ti55531合金鍛件的強(qiáng)度和塑性可滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn):

[1]付艷艷，宋月清，惠松驍，等.熱處理對VST55531鈦合金組織和拉伸性能的影響[J].稀有金屬，2008，32(4):399-403.

[2] FU Yan-yan,SONG Yue-qing,HUI Song-xiao, et al. Effects of heat treatment processes on microstructure and tensile properties of VSTT55531 alloy[J]. Metal Heat Treatment,2008，33(7):66-68.

[3]趙永慶，陳永楠，張學(xué)敏.鈦合金相變及熱處理[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2012:130.

（注，原文標(biāo)題：熱處理工藝對Ti55531合金組織和拉伸性能的影響）