熱處理工藝對Ti55531鈦合金顯微組織與拉伸性能的影響

黃劍鋒，雍岐龍，孫新軍，李昭東（1.昆明理工大學材料科學與工程學院，昆明 650093；.鋼鐵研究總院工程用鋼所，北京 100081）

0 引 言

鈦及鈦合金因比強度高、耐腐蝕性強、耐高溫等一系列優點，而廣泛應用于現代飛機的發動機及機載設備［1－2］。近β型鈦合金可以通過彌散強化獲得很高的強度，其比強度在鈦合金中處于較高水平；此外該合金還具有良好的冷熱成型性、淬透性等優點，在航空工業中具有重要應用價值［3－4］。傳統的高強高韌鈦合金主要有美國研制的近β型鈦合金Ti－1023和俄羅斯研制的BT22等，而當前廣泛用于大型民航客機的高強度鈦合金Ti-1023由于冶煉困難、加工成本較高等原因，將逐漸被新一代高強高韌鈦合金（例如 Timetal556，Ti55531合金）取代［5－8］。Ti55531鈦合金是俄羅斯在BT22合金基礎上與法國空客公司聯合開發的一種新型高強高韌近β鈦合金，具有較好的強韌性匹配［7－9］。該合金兼有α＋β鈦合金和β型鈦合金的特點，在退火狀態下的抗拉強度可達1 080MPa。采用固溶時效熱處理后，其抗拉強度可超過 1 500MPa。與 Ti-1023合金相比，該合金擁有良好的淬透性和較寬的熱加工工藝范圍，不易產生成分偏析，且具有更高的強度和斷裂韌性，現已成功應用在空客A380飛機的機翼和發動機掛架之間的連接裝置［10］。

近β型鈦合金的強化方式主要依賴高溫區固溶形成亞穩相（β），然后在中溫區保溫使亞穩相時效分解，析出細小彌散的第二相質點產生彌散強化［11－14］。有研究表明［11－12］，這種合金組織中只要保留很少量的初生等軸αp相，就能保持較好的塑性，避免了"β脆"（材料的塑性和韌性明顯降低）現象的發生，明顯改善合金的綜合性能。

目前，國內外報道Ti55531鈦合金熱處理工藝特別是時效工藝的研究較少。為了給國內外鈦合金的使用提供參考，作者通過制定不同的熱處理工藝，系統研究了固溶溫度、時效溫度、時效時間對Ti55531鈦合金顯微組織和拉伸性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為寶鋼特鋼有限公司提供的Ti55531鈦合金鍛造棒材（φ150mm），合金的化學成分如表1所示，該合金的β相轉變溫度為840℃。從棒材上切取拉伸試樣毛坯按以下三種方案在箱式熱處理爐中進行熱處理。（1）先將試樣加熱到不同的溫度（790～830℃）固溶，保溫0.5h后水冷，然后在550℃保溫2h；（2）將試樣加熱到810℃，保溫0.5h后水冷，然后在不同時效溫度（500～600℃）保溫2h；（3）試樣加熱到810℃，保溫0.5h后水冷，然后在550℃保溫不同時間（2～8h）。

將所有熱處理后的試樣按照GB/T 228加工成標距尺寸為φ5mm的標準拉伸試樣，然后在 WE－300型材料拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2mm·min－1，取3個試樣的平均值。另取金相試樣進行機械研磨拋光，用HF、HNO3、H2O體積比為1∶3∶10的混合腐蝕劑腐蝕后，在Axiovert-ZOOMAT型光學顯微鏡（OM）和日立S-4300型場發射掃描電鏡（SEM）下觀察顯微組織。

表1 試驗合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of the test alloy（mass） %

2 試驗結果與討論

2.1 熱處理對顯微組織的影響

2.1.1 固溶溫度的影響

由圖1可見，隨著固溶溫度的升高，合金中初生顆粒狀αp相的含量減少且尺寸減小。當溫度升高到830℃時，組織中初生αp相的含量很少，并開始出現β相的晶界。由于該合金中含有較多的β相穩定元素，馬氏體轉變溫度低于室溫，所以固溶水冷后，一些β相沒有發生馬氏體轉變而保留至室溫，形成亞穩的β相。

圖1 試驗合金在不同溫度固溶后的OM形貌Fig.1 OMmorphology of the test alloy after solid solution at different temperatures

2.1.2 時效溫度的影響

由圖2可見，在810℃固溶并在500℃時效后，合金中初生αp相以長條狀為主，并且具有少量的等軸組織；當時效溫度升高到550℃，長條狀初生αp相已基本發生了等軸化。從圖中可以清晰地看到初生αp相在原始β晶粒晶隅形核，并向晶粒內部生長；次生αs相從原始β晶界和晶內析出，并以一定的慣習面向晶粒內部生長。隨著時效溫度的升高，原始β晶界變寬，細針狀的次生αs變粗變長，轉變為粗大的棒狀組織。

2.1.3 時效時間的影響

由圖3可見，試驗合金經810℃固溶及550℃時效后，隨著時效時間的延長，初生αp相的形貌變化不大，次生αs相的含量增多，并且變細變短。

2.2 熱處理對拉伸性能的影響

2.2.1 固溶溫度的影響

圖2 試驗合金經810℃固溶并在不同溫度時效處理后的SEM形貌Fig.2 SEMmorphology of the test alloy after solid solution at 810 ℃ and then aging at different temperatures（a）500 ℃，low magnification；（b）500℃，high magnification；（c）550℃，low magnification；（d）550℃，high magnification；（e）600℃，low magnification and（f）600℃，high magnification

圖3 試驗合金經810℃固溶并在550℃時效不同時間后的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of the test alloy after solid solution at 810 ℃ and then aging at 550 ℃for different times：（a）2h，low magnification；（b）2h，high magnification；（c）8h，low magnification and（d）8h，high magnification

圖4 固溶溫度對試驗合金拉伸性能的影響Fig.4 Effects of solid solution temperature on tensile properties of the test alloy

圖5 時效溫度對試驗合金拉伸性能的影響Fig.5 Effects of aging temperature on tensile properties of the test alloy

圖6 時效時間對試驗合金拉伸性能的影響Fig.6 Effects of aging time on tensile properties of the test alloy

由圖4可知，隨著固溶溫度的升高，合金的抗拉強度和屈服強度逐漸增大，伸長率逐漸減小。鈦合金的強化方式主要依靠亞穩β相在時效過程中析出彌散狀的次生αs相來提高合金的強度。隨著固溶溫度的提高，組織中的初生αp相逐漸減小，亞穩β相逐漸增多。時效后，亞穩β相將析出更多彌散細小的次生αs相，使合金彌散強化效果增大。因此，合金強度增大，塑性降低。此外，此種合金的加工硬化率較低，因此抗拉強度只稍高于屈服強度；一定量的初生αp相將改善此種合金的塑性，830℃固溶時的初生αp相較之790℃和810℃急劇減少，這導致了其伸長率急降。

2.2.2 時效溫度的影響

由圖5可知，隨著時效溫度的升高，合金的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，而伸長率逐漸提高。因為隨著時效溫度的升高，組織中初生αp等軸化、次生αs相變粗變長，兩相的界面面積減少，第二相強化減弱，位錯滑移阻力減小，因此合金的強度降低，塑性增大。特別是550℃及其以上溫度時效時，上述初生αp顯著等軸化或次生αs相顯著變粗變長，從而使強度降低，塑性急劇增大。

2.2.3 時效時間的影響

由圖6可知，隨著時效時間的延長，合金的抗拉強度和屈服強度逐漸增大，伸長率逐漸降低。這是因為隨著時效時間的延長，亞穩β相析出了更多更彌散分布的次生αs，位錯滑移的阻力更大、距離更短，第二相強化效果增大，塑性降低。

3 結 論

（1）隨著固溶溫度的升高，Ti55531合金中初生αp相的含量逐漸減少，時效后抗拉強度和屈服強度逐漸增大，伸長率逐漸減小。

（2）隨著時效溫度的升高，Ti55531合金中初生αp相等軸化、次生αs相變粗變長，抗拉強度和屈服強度逐漸減小，伸長率逐漸增大。

（3）隨著時效時間的延長，Ti55531合金中次生αs相含量逐漸增多且彌散分布，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，伸長率逐漸減小。

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