熱處理工藝對Ti55531合金組織和拉伸性能的影響

閔新華，徐 鋒，孫書英

（1.寶鋼特鋼有限公司，上海 200940；2.寶鋼研究院特鋼技術中心，上海 200940）

0 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。與當前廣泛應用于大型民用客機上的Ti－1023合金相比，Ti55531合金不會產(chǎn)生明顯的成分偏析，且室溫抗拉強度提高了約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，可以改善殘余應力對其后續(xù)機加工的影響，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合金應用于飛機的起落架、機翼等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研究［1－2］，但可查的公開報道并不多見。因此，作者通過鍛造制備了Ti55531合金棒材和鍛件，然后對其進行不同的固溶時效熱處理，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φ250mm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個方案進行處理。

其一：沿棒材橫向切取試樣，采用表1所示的工藝參數(shù)進行熱處理（固溶＋時效熱處理），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為固溶時間，t2為時效時間，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Tab.1 Heat treatment processes for Ti55531alloy bar and tensile properties of the alloy bar after heat treatment

其二：直接對棒材進行等溫鍛造（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型光學顯微鏡觀察試驗合金的顯微組織，腐蝕劑為1%HF＋3%HNO3＋96%水；參考GB／T 228.1－2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗》和GB／T 4338－2006《金屬高溫拉伸試驗方法》，在ZWICK－Z150型拉伸試驗機上進行拉伸試驗，試樣尺寸為φ10mm×55mm，應變速率為0.0025s－1（屈服前）和0.008s－1（屈服后），高溫拉伸試驗的溫度為500℃。

2 試驗結(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，室溫抗拉強度和屈服強度逐漸增大，抗拉強度由1235MPa增至1415MPa，屈服強度由1225MPa增至1370MPa；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)相同而時效工藝參數(shù)不同的試樣b，c，d，e而言，隨著時效溫度從650℃降至575℃，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，抗拉強度從1221MPa增至1406MPa，屈服強度由1150MPa增至1339MPa；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效溫度可使Ti55531合金實現(xiàn)最佳的強度和塑性匹配。

由圖1可以看出，隨著固溶溫度升高，初生α相從彌散的顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀或短棒狀，達到一定溫度后全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣戮Я＃姚戮Я?nèi)的片狀α均呈細針狀。這說明此時的溫度已經(jīng)到達β相的轉(zhuǎn)變溫度。升高固溶溫度可使Ti55531合金的組織發(fā)生改變，滿足合金高強度的要求，但當固溶溫度高于Tβ（β相轉(zhuǎn)變溫度）后，α相消失，β晶粒形成并長大，從而導致合金的強度增大，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α顆粒，其面積分數(shù)達到20%～30%。可見，時效溫度的降低導致組織發(fā)生變化，這將會導致其室溫拉伸性能發(fā)生很大變化。結(jié)合表1可見，時效溫度降低50℃，室溫抗拉強度和屈服強度增加了約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%。這說明時效溫度對Ti55531合金室溫拉伸性能的影響更大。

圖1 經(jīng)不同固溶工藝和相同時效工藝處理后Ti55531合金棒材的顯微組織Fig.1 Microstructure of Ti55531alloy bar after heat treatments with differen solid－solution processes and same aging process：（a）sample a；（b）sample c and（c）sample f

圖2 經(jīng)相同固溶工藝和不同時效工藝處理后Ti55531合金棒材的顯微組織Fig.2 Microstructure of Ti55531alloy bar after heat treatments with same solid－solution process and different aging processes：（a）sample b；（b）sample c；（c）sample d and（d）sample e

2.2 對鍛件組織和性能的影響

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

表2 Ti55531合金鍛件經(jīng)不同熱處理后的橫向拉伸性能Tab.2 Transverse tensile properties of Ti55531forged alloy after different heat treatments

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，因此在光學顯微鏡下看不出時效溫度調(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、細小的α顆粒分布在黑色的轉(zhuǎn)變β基體上，不同區(qū)域組織的均勻性基本一致。

圖3 在650℃時效處理后Ti55531合金鍛件不同部位的顯微組織Fig.3 Microstrucure of different positions in Ti55531forged alloy after aging at 650℃ ：（a）centre；（b）1／2radius；（c）margin

圖4 在600℃時效處理后Ti55531合金鍛件不同部位的顯微組織Fig.4 Microstrucure of different positions in Ti55531forged alloy after aging at 600℃ ：（a）centre；（b）1／2radius；（c）margin

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)棣孪啵浑S著時效溫度降低，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，合金室溫抗拉強度和屈服強度明顯增大，伸長率和斷面收縮率則大幅下降；隨著時效溫度降低，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，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度和塑性達到最佳匹配，固溶溫度應控制在相變點以下，時效溫度宜選擇在600～620℃區(qū)間。

（4）固溶溫度在相變點以下，時效溫度在600℃時，Ti55531合金鍛件的強度和塑性可滿足相關標準要求。

［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 VSTT55531alloy［J］.Metal Heat Treatment，2008，33（7）：66－68.

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