高強β鈦合金的高溫鍛造及其鍛后熱處理研究

文/杜趙新·內蒙古工業大學

高強β鈦合金的高溫鍛造及其鍛后熱處理研究

文/杜趙新·內蒙古工業大學

杜趙新，講師，工學博士，主要從事高強鈦合金的高溫鍛造工藝及理論研究工作，主持或參與國家自然基金、內蒙古自然科學基金、內蒙古高等學校科學基金等項目，發表SCI收錄論文10余篇，擁有授權發明專利3項。

鈦合金因具有優異的綜合力學性能，在航空、航天及汽車和船舶等領域具有廣泛的應用。鈦及鈦合金自20世紀50年代初被首次應用在飛機上之后，其在航空領域的研究與應用已經得到長足發展，如在F-22戰斗機中鈦合金的用量已經達到41%。一般認為，經過簡單熱處理后室溫強度大于1100MPa的鈦合金被稱為高強鈦合金，而超過1250MPa則被稱為超高強度鈦合金。鈦合金一般包括α+β型兩相鈦合金和β型鈦合金，而其中β型鈦合金不僅具有良好的冷熱加工性能及易鍛造性能，最重要的是可以通過固溶及時效熱處理工藝而獲得較高的力學性能。相比較α+β型合金，β型鈦合金具有更加優異的深硬化能力，而且在板材生產過程中的淬火歪扭問題等方面也比α+β型合金顯得更加優越。雖然β鈦合金的密度要略高于α+β型合金，但是其在所有鈦合金中具有最高的“強度—質量比“。

β型高強鈦合金最主要的特點是其在所有鈦合金中具有最高的“強度—質量比“，影響其力學性能的三個關鍵環節主要有合金成分設計、鍛造工藝以及鍛后熱處理工藝。對于某一種高強β鈦合金來說，鍛造工藝以及鍛后熱處理是其中非常關鍵且必不可少的部分，關系到合金在后續的機械熱加工中是否能夠達到所要求的力學性能。

鈦合金的鍛造工藝

目前，鈦合金的鍛造工藝大概分為α+β鍛造、β鍛造、近β鍛造和準β鍛造四種，其中，比較有代表性的兩種鍛造工藝為α+β鍛造和β鍛造。α+β鍛造也叫常規鍛造，是指合金在β相轉變溫度以下30～50℃進行加熱、變形。α+β鍛造是最常用的一種鍛造方法，以α+β兩相合金為例，采用α+β鍛造后得到由等軸α相、長條狀α相和β相轉變基體組成的雙態組織，合金具有較好的室溫強度與塑性，但是高溫性能以及斷裂韌性要低。

20世紀50年代后期，Groan等人提出β相變點以上β鍛造理論，β鍛造是指鈦合金完全在β相的較高溫度下進行的鍛造。β鍛造的最大優點是變形抗力小，鍛件精密度高，生產效率和模鍛設備壽命都能得到提升，采用β鍛造的鈦合金的強度與塑性略有下降，但是其斷裂韌性及蠕變強度較好。

然而，采用β鍛造的鈦合金斷面收縮率急劇下降，基于此問題，我國鈦合金領域專家朱知壽等人提出了一種新的鍛造工藝—準β鍛造。準β鍛造是將坯料在β相變點以下預熱40～80min，然后隨爐升溫至β相變點以上10～20℃短時加熱后進行鍛造，鍛后迅速水冷或空冷。在需要第二火以上的鍛造時，加熱溫度為β相變點以上20～40℃。采用準β鍛造的鈦合金塑性與α+β鍛造鈦合金差別不大，已有研究表明，采用常規α+β鍛造或準β鍛造工藝，常溫力學性能和高溫力學性能都滿足技術條件的要求，但與α+β鍛造相比，準β鍛造鍛件的斷裂韌性與疲勞極限都得到提高。

近β鍛造是由我國學者周義剛20世紀80年代提出的，其原理是將坯料置于相變點以下10～15℃加熱、鍛造、鍛后水冷，隨后進行高溫韌化和低溫強化處理。近β鍛造工藝將等軸和網籃組織的性能優勢集于一身，由此帶來的力學性能超過了國內外相關技術的性能水平，能在不降低塑性，不喪失熱穩定性的前提下，提高材料的高溫性能、低周疲勞性能和斷裂韌性。由于近β鍛造是在相變點以下10～15℃進行鍛造，所以控制鍛造加熱溫度就成了最大的技術難點。材料化學成分的不均勻，加熱爐爐溫的不均勻性和鍛造過程中產生的熱效應，都會影響鍛造實際加熱溫度。

從以上闡述中不難看出，以上四種鈦合金的鍛造工藝是以鍛造溫度來劃分的，這說明鍛造溫度對鈦合金的影響非常重要，尤其對于β型高強鈦合金來說，變形溫度的影響至關重要。相比于其他幾種類型的鈦合金來說，β鈦合金中含有較多的β穩定性元素，從而降低了其相轉變溫度。另外，β穩定性元素的增加，使其保留β相的能力增加，從而也調高合金的變形能力。鈦合金中的β相變形能力最好，因此在β單相區變形時的變形抗力低，可以進行較大變形量下的開坯鍛造，而在α+β兩相區變形時，合金可以獲得更小的晶粒尺寸，同時積聚大量的變形能及晶體缺陷等，為后續的熱處理強化提供結晶。

高強β鈦合金的高溫鍛造

實驗用材料為β型高強鈦合金Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe，其β相轉變溫度為815℃。β鈦合金的α+β→β相轉變溫度對合金尤為重要，其決定了鈦合金的熱加工工藝參數等重要過程。鈦合金一般要經過不同的機械熱處理工藝后以獲得所需要的性能，而相變溫度決定著其高溫機械熱處理的工藝，尤其是β型鈦合金，其組織性能對熱加工溫度尤其敏感，根據其相變溫度可制定常規鍛造、近β鍛造、準β鍛造和β鍛造等加工工藝，以及后續的熱處理強化工藝等。合金鍛造工藝如圖1所示。

圖1 高強β鈦合金高溫鍛造工藝

在鍛造合金之前，切除鑄錠上下表面以及側面的缺陷部分，鑄錠表面使用清洗劑清洗油污。合金的高溫鍛造方式為自由鍛造，為保證合金組織的均勻性，合金進行多火次鍛造。合金首先在β高溫單相區保溫兩小時后開坯，以破碎鑄態原始的大尺寸晶粒組織，隨后合金在α+β兩相區進行反復鐓拔，在兩相區變形是為了獲得一定數量的α相。

圖2 Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金鍛態組織

圖2為合金鍛態組織的橫截面與縱截面的SEM圖像，可以看到大量呈黑灰色的等軸α相分布在基體之中，而在縱截面的圖像中包含等軸或近等軸α相。在兩相區鍛造時，α相可以起到抑制β晶粒長大的作用。圖3為鈦合金鍛后的EBSD組織分析，鍛造后的鈦合金內部產生大量的亞晶，且尺寸非常小，只有幾微米。對鍛造后的合金進行力學性能測試，結果如圖4所示，可以看到鍛造后的合金具有非常優異的塑性，但是強度相對較低，因此需要對合金進行后續的熱處理強化。

圖3 高強β鈦合金鍛后EBSD組織分析（GOS）

圖4 合金鍛態拉伸曲線

高強β鈦合金的鍛造熱處理

β鈦合金的熱處理一般包括固溶和時效兩個部分。固溶處理可以有效減小或消除工件熱加工過程中由于變形不均勻、溫度不均勻及內部發生相變與再結晶造成的組織不均勻。β鈦合金的固溶溫度較高，一般選擇在略高于或者略低于合金的β相變點，在α+β兩相區固溶后會得到初生α相，在β單相區固溶時組織由單一β相組成。經高溫固溶后的β鈦合金會得到亞穩的β相，亞穩的β相會在低溫時效的過程中發生分解，產生細小彌散分布的次生α相，次生α相一般會與β基體保持一定的位向關系，β鈦合金一般都要通過低溫時效熱處理產生次生α相來使合金得到強化。

圖5為合金在α+β兩相區775℃固溶后，再經較低溫度時效后的SEM組織。從圖5中可以看出合金經過固溶時效熱處理后的顯微組織由等軸α相、針狀的次生α相和β基體組成。固溶時產生的初生α相分布在晶界上，限制了β晶粒的長大，因而合金在α+β兩相區固溶及時效條件下的晶粒非常小，只有幾個微米。另外，隨著時效溫度的升高，合金中的次生α相的尺寸也逐漸增大。

圖5 合金在不同時效溫度下的顯微組織

表1 β鈦合金在不同熱處理條件下的拉伸性能

對合金不同熱處理條件下的力學性能進行測試，結果列于表1中。相比其他鍛態合金來說，β鈦合金經過時效后的強度增加非常明顯，且時效溫度越低，強度越高。雖然熱處理后合金的塑性略有降低，但是其強度與塑性的匹配要更高。

結束語

高強β鈦合金在β單相區變形時變形抗力低，適于進行開坯及初步鍛造，在兩相區鍛造時可以盡量細化晶粒，并獲得一定數量的α相。高強β鈦合金鍛造后的強度較低，需要進行鍛后熱處理強化，并且根據固溶及時效溫度的不同以獲得不同數量的初生及次生α相，從而獲得不同力學性能的匹配。