水冷+去應力退火對Ti31合金沖擊性能的影響

李 維，康 聰，侯智敏，李進元

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

Ti31（Ti-Al-Mo-Zr-Ni）合金是西北有色金屬研究院設計開發的一種中強近α型鈦合金，與同等強度的鈦合金相比，具有明顯高的塑韌性、中溫熱強性、高溫持久性以及良好的耐蝕性與可焊性[1，2]。然而Ni元素在鈦合金中屬于快共析元素，在冷卻過程中會析出Ti2Ni硬脆相，顯著降低材料的力學性能，尤其是材料的沖擊性能[3，4]。針對大規格Ti31鍛件，由于其心部冷速較低，往往會在晶界上析出大量連續的Ti2Ni相，使得材料的沖擊性能明顯下降。本文通過采用水冷+低溫去應力的退火方式，采用不同的固溶溫度、去應力退火溫度、去應力退火時間，研究分析了水冷+低溫去應力退火對Ti31合金沖擊性能的影響，并進一步對于φ400mm235mm鍛件進行了實驗驗證。

1 試驗材料與方法

實驗用材料為西部鈦業有限責任公司生產的Ti31鍛件，該合金經VAR三次熔煉，并通過多火次墩拔成型，其實測成分為Ti-2.90Al-1.06Mo-0.54Ni-1.68Zr，相變點為935℃～940℃。選擇對該批次鍛件進行不同制度的熱處理，熱處理參數詳見表1。隨后對其分別進行室溫沖擊測試以及SEM分析，其中室溫沖擊按照HB 5144-1996《金屬室溫沖擊試驗方法》進行，其中每種熱處理制度取三組試樣測試，采用V型缺口；SEM分析采用JSM-6460型號鎢燈絲掃描電鏡。

表1 Ti31合金的熱處理方案

890 1 WQ 450 6 AC 890 1 WQ 600 4 AC 910 1 WQ 450 4 AC 910 1 WQ 600 4 AC

2 試驗結果及討論

2.1 溫度對Ti31合金沖擊性能的影響

圖1給出了不同的固溶溫度以及去應力退火溫度對Ti31合金沖擊吸收功的影響。從圖1可以看出，在該種熱處理路線下，固溶溫度對于合金的沖擊性能幾乎沒有影響，而去應力退火對沖擊吸收功的影響很大。當去應力退火溫度由450℃升至600℃時，合金的沖擊吸收功降低了約有20J。這是由于當退火溫度超過550℃后，Ti31合金內部的晶界析出物開始明顯增加，尺寸也逐步增加，最終成為連續狀態[4]。這種在晶界處形成的Ti2Ni硬脆相會顯著降低沖擊失效過程中的裂紋萌生能，并進而損害到沖擊性能。

圖1 固溶和去應力退火溫度對Ti31合金沖擊吸收功的影響

2.2 去應力退火時間對Ti31合金沖擊性能的影響

圖2給出了不同的去應力退火時間對Ti31合金沖擊吸收功的影響。從圖2可以看出，去應力退火時間對于Ti31合金的沖擊性能影響較小。說明在450℃長時間保溫，Ti2Ni并不會發生聚集長大現象。這是由于Ti2Ni相的形成屬于共析反應，需要元素的擴散。而在低溫條件下，元素擴散的驅動力受到抑制，Ti2Ni相難以進一步長大。

圖2 去應力退火時間對Ti31合金沖擊吸收功的影響

2.3 對大規格Ti31鍛件的實驗驗證

對規格為φ400mm235mm的Ti31鍛件采用890℃1h/WQ+450℃4h/AC熱處理，其邊部與心部的沖擊吸收功如表2所示，表2也給出了相同規格鍛件經普通退火后的沖擊吸收功。從表2可以看出，經過水冷+低溫去應力退火后的合金沖擊性能遠遠高于普通退火態，并且心部沖擊性能略低于邊部。

表2 Ti31合金的沖擊吸收功

圖3 Ti31合金退火態組織

圖4 大鍛件Ti31合金退火態EDS分析

圖3給出了Ti31合金經水冷+低溫去應力退火之后邊部、心部以及普通退火態的SEM照片。從圖3可以看出，經水冷+低溫去應力退火后，邊部組織晶粒要遠遠小于普通退火態，而心部組織要略微大于普通退火態。從沖擊吸收功的對比來看，說明此時晶粒大小并不是影響沖擊性能的決定因素。

圖4給出了退火態組織的EDS分析，其晶界Ni含量分別為：2.56wt%、5.05wt、8.42wt%。從EDS分析結果來看，大鍛件普通退火態組織晶界處Ni含量最高，遠遠高于宏觀成分0.54wt%，對應著最低的沖擊吸收功，說明晶界處高的富Ni區是導致沖擊吸收功降低的主要因素。

3 結論

（1）水冷+低溫處理時，固溶溫度對Ti31合金沖擊性能影響不明顯；而隨著去應力退火溫度的升高，合金的沖擊吸收功顯著降低。

（2）水冷+低溫去應力退火的熱處理方式有利于改善大規格Ti31合金的沖擊性能。