熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金熱擠壓型材組織及力學性能的影響

張君峰，徐 哲，馮紅超

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

在使用和制作過程中，鈦合金型材屬于一種特殊的近終形半成品，具備較高的結構效益，在航空、航天等領域中得到了廣泛的應用。在實際研究過程中，由于鈦合金型材的種類繁多，可對相關飛行器的研制周期進行縮短。同時，鈦合金與很多復合材料的電極相接近，可避免在與符合材料接觸時出現腐蝕現象。隨著復合材料應用范圍的提升，鈦合金的使用頻率也在不斷增加。

1 實驗材料及方法

在Ti-6Al-4V鈦合金型材制備過程中，首先需要做的是利用β相鍛造區對其進行防氧化玻璃涂層的噴涂工作，并在相變點進行感應加熱，當溫度到達150℃～200℃范圍內，進行一小時的保溫工作，并用鋪設好的玻璃粉滾涂平臺進行滾涂，經過一周之后，在擠壓筒中放入相關的擠壓型材。在擠壓工作開展過程中，需要在擠壓錠坯和模具之間放入玻璃墊，當溫度達到一定程度之后，玻璃墊會隨之融化，并隨著金屬外側的金屬流進入?？字校@種類似液體的東西可對整個模具起到潤滑作用。在上述工藝過程之中，可利用兩種擠壓比對不同規格截面的Ti-6Al-4V鈦合金型進行制備[1]。

在上述兩種規格選材過程中，可利用表1中所提到的工藝方式開展熱處理工作，之后對處理后的擠壓型材進行力學分析和測試。

表1 實驗型材的熱處理工藝

根據相關觀察數據統計，金相試樣所應用的腐蝕液類型為5%HF+10%HNO3+85%H2O。在型材力學測試過程中，主要用到的工具是MTS試驗機，并與AMS4935J標準相參照。一般來說，以往實驗中的型材拉伸應變率應控制在0.005mm/nn/min左右。

2 實驗結果分析

在經過不同工藝的熱處理之后，擠壓型材的顯微組織便能清晰得到，由此可見，在加熱溫度的確定上，由于擠壓錠坯要遠大于Ti-6Al-4V鈦合金的相變溫度。因此，可以確定鈦合金的顯微組織屬于一種傳統的魏式組織。在鈦合金顯微組織的深入對比之下可以看出，通過兩種擠壓比λ=25和λ=85的不同擠壓作用所獲得的型材，晶粒尺寸均處于100到200um范圍內，而且二者數據相差并不多。根據這一結果可得出如下結論：當擠壓比λ達到一定數值時，擠壓比的提升很難對晶粒尺寸進行進一步細化。在型材顯微組織對比過程中，雖然熱處理方式存在不同，但處理前后并未出現太大改變。此項結果說明，當加熱溫度在750℃以下時，如果加熱時間未超過3h，熱處理的溫度、次數、保溫時間對鈦合金顯微組織并不會產生太大影響?？偟膩碚f，在不同的擠壓比作用下，兩種型材相似的強度和塑性。

但由于本文研究中，型材的晶粒尺寸未出現變化，導致熱處理前后型材的抗拉強度等在數值上同樣未出現較大范圍的變化。但在工藝方式上，雙重退火工藝可以對保溫時間進行有效延長，尤其是在750℃×1h中，保溫效果的延長性還會更加明顯，也正是由于這一特點的存在，促使型材的剩余應力得到充分釋放，并對型材的屈服強度進行了明顯改善。

3 力學性能的影響分析

（1）抗拉強度分析。根據Ti-6Al-4V鈦合金抗拉強度的分析結果，可通過添加相關金屬元素來提升其抗拉強度。例如，在Mn元素添加過程中，Ti-6Al-4V鈦合金的抗拉強度和伸長率提升效果最為顯著。而當Mn元素含量超過1.5%時，鈦合金型材的抗拉強度也會隨之下降。在含量到達2.5%時，鈦合金的整體抗拉強度將會達到332.013MPa，但伸長率僅在3.8%左右?？偟膩碚f，Mn屬于β穩定元素中的一種，可降低相關型材的轉變溫度。因此，在擠壓之后的冷卻環節之中，只會有少量的β被留存下來，其余大部分將會以雙態組織形式存在，實現鈦合金力學性能的有效提升[2]。

（2）拉伸斷口分析。根據實驗結果觀察可知，當Mn含量處于2%以下時，拉伸斷口的形狀以混合斷面為主，如圖2所示，這種斷口是在準理性脆性斷裂過程中所留下的。一般來說，β相會處于不完全韌窩狀態，很容易在部分相中出現解理斷裂。當Mn含量在1.5%時，鈦合金中的韌窩最多，此時鈦合金的伸長率也最大。隨著Mn元素含量的越來越大，韌窩數量也會相應降低，此時合金的解理面會得到相應提升。當Mn的含量超過2.5%之后，在鈦合金之中幾乎無法找到韌窩，此時的斷裂屬于最明顯的脆性斷裂。

圖1 拉伸斷口的形狀

4 總結

綜上所述，Ti-6Al-4V鈦合金具備良好的熱處理工藝適應性。當加熱溫度在750℃以下時，保溫時間不超過3小時，熱處理溫度、次數以及保溫時間等因素并不會對鈦合金的組織材料和力學性能產生影響。在雙重熱處理工藝的作用之下，鈦合金型材的屈服強度將會得到明顯提升，這對于鈦合金的穩定性研究奠定了良好的基礎。

[1]蔡建明,弭光寶,高帆,黃浩,曹京霞,黃旭,曹春曉.航空發動機用先進高溫鈦合金材料技術研究與發展[J].材料工程,2016,44(08):1-10.

[2]楊建軍,李寶霞,代春,張平平.熱處理對擠壓成形TC18鈦合金管材組織和性能的影響[J].鈦工業進展,2015,32(04):22-24.