一種提高Ti5553合金綜合性能的熱加工方法

王 華，代光華

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710021)(2.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)

一種提高Ti5553合金綜合性能的熱加工方法

王 華1，代光華2

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710021)(2.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)

為了讓Ti5553合金的強度和韌性等綜合性能指標達到良好匹配，充分發揮其高強高韌的特點，提出了一種新的熱加工方法。首先對Ti5553合金軋棒進行充分改鍛，初步得到均勻、細小、無偏析、無β斑的基體組織，然后再利用β鍛造形成一種細小密集的網籃組織，并在最后的β熱處理過程中，生成β晶粒內的細小片狀α轉相和晶界處細小分散的α轉相。結果表明：采用(Tβ-30)℃兩相區改鍛、(Tβ-30)℃預鍛與(Tβ+20)℃β鍛造的聯合模鍛以及(Tβ+35)℃退火+600 ℃時效的β熱處理工藝后，可獲得一種理想的β型鈦合金組織，使該合金的強度、塑性和斷裂韌性等綜合性能指標都有所提高。

Ti5553合金；網籃組織；β鍛造；β熱處理

0 引 言

Ti5553合金是一種新型高強高韌鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr。該合金屬于β型鈦合金，擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，目前主要用于波音787飛機和空客A350飛機的起落架、機翼結構等20多種承力部件，代替了原來所使用的Ti-6Al-4V合金和Ti-1023合金。據統計，采用Ti5553合金可以使飛機的總質量減輕8%，在我國C919等大型民用飛機上也得到了推廣應用，也可進一步推廣應用于其它軍用飛機上。

實際使用中的Ti5553合金多是網籃組織，即α轉+β轉組織，也就是在β轉基體上存在片狀α轉組織。理想的Ti5553合金組織應該是β晶粒細小、晶粒內部α轉相細密、β晶界處存在細小斷續的片狀α轉相的網籃組織。這種網籃組織可以使Ti5553合金的強度、塑性和斷裂韌性得到較好的匹配，綜合性能優良。

由于生產中有一批作為模鍛原料的Ti5553合金軋制棒材，按照MTL-3103 及BMS 7-360G標準的要求進行(Tβ+35)℃×90 min/FC+600 ℃×9 h/AC熱處理后，取樣觀察金相組織發現：組織粗大且不均勻，β晶界處存在連續平直厚大的片狀α轉相，且還有β斑存在。通常這種組織的鈦合金強度偏低，達不到標準要求值，影響構件使用的可靠性。為此，本研究探索用特殊的熱加工方法來改善Ti5553合金軋制棒材的組織和性能，以獲得組織致密，強度達到標

準要求，而塑性和斷裂韌性匹配良好的鍛件[1-3]。

1 實 驗

實驗材料為φ250 mm×200 mm的Ti5553合金軋制棒材，其β相變點為840 ℃。分別按照表1給出的兩種熱加工工藝對其進行加工。

表1 熱加工工藝方案

對經過2種工藝熱加工后的Ti5553合金的顯微組織、拉伸性能和斷裂韌性進行表征。拉伸性能和斷裂韌性測試采用CL-3001拉伸試驗機；顯微組織觀察在CL-2002金相顯微鏡上完成[4]。

2 結果與討論

圖1為Ti5553合金軋制棒材經(Tβ+35)℃×90 min/FC+600 ℃×9 h/AC熱處理后的金相照片。其綜合性能見表2。從圖1和表2可以看出，軋制棒材熱處理后的組織粗大且不均勻，β晶界處存在連續平直厚大的片狀α轉相。表明軋制棒材固有的組織不

均勻性以及β斑缺陷未能通過熱處理消除，造成棒材強度明顯偏低，斷裂韌性偏高。

圖1 Ti5553合金軋制棒材熱處理后的金相照片Fig.1 Metallographs of Ti5553 alloy after heat treatment

Rm/MPa縱向橫向 Rp02/MPa縱向橫向 A/%縱向橫向 Z/%縱向橫向KIC/MPa·m1/2高向1051310363 100149870 155125 2202059891045810513 99669966 145125 215235102

圖2為經2種不同的熱加工工藝加工后Ti5553合金模鍛件的金相照片。表3為其相應的綜合性能。對比兩種熱加工工藝所獲得的Ti5553合金組織發現：熱加工工藝1的β基體晶粒尺寸略小，晶內的片狀α轉略厚些，β晶界處的α轉片也要厚些且尺寸長；而熱加工工藝2的β晶粒尺寸略大，但晶粒內的片狀α轉要薄且尺寸小，尤其是β晶界處的α轉片細小且斷續。對比兩種熱加工工藝所獲得Ti5553合金的性能發現：熱加工工藝1的Rm平均值縱向為1 154 MPa,橫向為1 165 MPa，分別超過標準要求指標橫向81.1 MPa,縱向47.2 MPa,KIC平均值為80.1 MPa· m1/2,比標準要求高8.6 MPa· m1/2； 而熱加工工藝2的Rm平均值縱向為1 138.1 MPa,橫向為1 118.7 MPa，分別超過標準要求指標橫向65.1 MPa,縱向45.1 MPa,KIC平均值為87.8 MPa· m1/2,超過標準要求指標16.3 MPa· m1/2。

綜合組織和性能的對比分析結果，熱加工工藝2獲得的Ti5553合金網籃組織更加細密，強度達到了標準要求的指標，而斷裂韌性還保持在較高的水平，強度、塑性和斷裂韌性達到了良好匹配。

圖2 2種熱加工工藝方案得到的Ti5553合金的金相照片Fig.2 Metallographs of Ti5553 alloy processed by two different thermal processing methods

編號Rm/MPa縱向橫向 Rp02/MPa縱向橫向 A/%縱向橫向 Z/%縱向橫向KIC/MPa·m1/2高向方案11164811750 1052710710 75105 1952108041149711443 1013710450 110105 2402607831147711784 1052010827 8090 260265816方案21134711170 1032210356 110105 2302659021134011155 1031510322 110110 2402458851145611237 1052710404 120110 260240847標準要求≥1073≥1073 ≥957≥957 ≥6≥6 實測實測≥715

3 結 論

通過2種不同熱加工工藝都可以獲得具有細密網籃組織的Ti5553合金，且性能達到了標準要求。而熱加工工藝2獲得的Ti5553合金強度、塑性、斷裂韌性不但均符合標準要求，而且達到了良好匹配。

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

[2] Wagner V, Baili M, Dessein G. Experimental characterization of behavior laws for titanium alloys:application to Ti5553[J].Key Engineering Materials,2010,446:147-155.

[3] Jones N, Jackson M, Dye D, et al. Comparing the hot working behaviour of high strength beta alloys Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr with that of Ti-10V-2Fe-3Al[C]//Ti-2007 science and Technology.Japan,2007:1005-1008.

[4] 付艷艷，宋月清，惠松驍，等.用正交實驗法優化VST55531鈦合金的熱處理工藝[J].金屬熱處理，2008，33(7)：66-68.

A Thermal Processing Method of Improving Comprehensive Performance of Ti5553 Alloy

Wang Hua1，Dai Guanghua2

( 1. Admiralty Equipment Department， Xi’an 710021，China ) (2. Shaanxi Hong Yuan Aviation Forging Co. , Ltd. ， Xianyang 713801，China)

In order to improve the comprehensive performance including strength and toughness of Ti5553 alloy，and give full play to its high strength and toughness characteristics，a novel thermal processing method was proposed. Rolled Ti5553 alloy bars were forged firstly, with the purpose of obtaining smaller, no segregation, no beta spot and uniform structure, and then formed the basket lattice structure through beta forging, after beta heat treatment process, smaller plate-like alpha transfer in beta grain size and small, scattered transfer alpha in grain boundary were generated. The results show that the ideal beta structure of titanium alloy can be obtained, and the comprehensive performance of Ti5553 alloy can be improved by the novel thermal process, which is forging in alpha+beta phase of (Tβ-30)℃ firstly, and then die forging at (Tβ-30)℃ and (Tβ+20)℃ in turns，finally annealing at (Tβ+35)℃ and aging at 600 ℃.

Ti5553 alloy；basket lattice structure； beta forging；beta heat treatment

2013-09-09

王華(1978—)，男，工程師。