Ti-6Al-4V合金厚板固溶時效熱處理工藝的正交試驗優化

李 笑, 李 劍

(寶雞鈦業股份有限公司, 寶雞 721014)

Ti-6Al-4V合金是一種典型的α+β型兩相鈦合金，具有優異的綜合性能，廣泛應用于航空、航天、艦船、兵器、化工、醫療等領域[1-2]。在航空、航天工業中，Ti-6Al-4V合金板材是成熟應用于飛機和發動機的主要結構材料之一，可以減輕質量、優化結構、降低飛行成本，因此已逐漸替代鋼、鎳基合金成為某些大型結構件的材料。Ti-6Al-4V合金厚板通常在普通退火狀態下使用，隨著材料加工技術的發展和為滿足結構件成型使用的要求，美國SAE AMS 4904C：2015TitaniumAlloySheet,Strip,andPlate6Al-4VSolutionHeatTreatedandAged中規定了Ti-6Al-4V合金厚板須固溶時效熱處理后交付，并對板材力學性能提出了更高的要求[3]。

通過對熱處理參數選擇過程中引入正交試驗，從多因素、多水平入手，挑出部分有代表性的影響因素進行試驗，根據試驗因素、因素水平及是否有交互等需求查找相應的正交點，挑選有代表性的影響因素進行試驗即可實現以最少的試驗次數達到全面試驗的效果[4]。為找出Ti-6Al-4V合金厚板最佳固溶時效參數、降低檢驗成本,筆者確定了固溶溫度、冷卻方式、時效溫度、時效時間4個因素，采用L16(44)正交表4因素、4水平的16組熱處理工藝進行試驗，以力學性能作為考核指標得到最佳的熱處理參數，為Ti-6Al-4V合金厚板整體熱處理工藝的確定提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為經3次真空自耗電弧爐熔煉制備的Ti-6Al-4V合金鑄錠,規格為φ720 mm，鑄錠經β相鍛造開坯和α+β兩相區鍛造，得到厚度δ為250 mm的板坯，然后在兩相區軋制成厚度δ為35 mm的板材，其化學成分中鋁元素的含量為6.46%～6.50%(質量分數，下同)，釩元素含量為4.19%～4.22%，鐵元素含量為0.17%～0.19%，氧元素含量為0.16%～0.18%，氫元素含量為0.003%，其余為鈦元素，相變點為1 000～1 010 ℃。板材的顯微組織由等軸和拉長的α相及部分β相轉變組織組成，無完整的原始β相晶界，其顯微組織形貌如圖1所示。

圖1 Ti-6Al-4V合金厚板的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of Ti-6Al-4V alloy thick plate

1.2 試驗方法

采用L16(44)正交試驗研究固溶溫度、冷卻方式、時效溫度、時效時間等4個因素對Ti-6Al-4V合金熱軋厚板強度和塑性的影響。試驗因素及水平如表1所示，其中因素水平用1，2，3，4表示，因素用A，B，C，D表示；正交試驗方案如表2所示，其中AC為空冷，WC為水冷。

表1 正交試驗因素及水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3 力學性能測試

在δ35 mm厚板上截取塊狀試樣，按照SAE AMS 4904C:2015的技術要求，將熱處理后的試樣加工成滿足ASTM E8/E8M-2015StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials要求的規格為φ12.5 mm的標準試樣，在電子萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸性能測試，其縱、橫向室溫拉伸性能應滿足SAE AMS 4904C:2015規定的抗拉強度Rm不小于1 000 MPa、屈服強度Rp0.2不小于931 MPa、斷后伸長率A不小于10%、斷面收縮率Z不小于25%的要求。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果

各試驗因素對Ti-6Al-4V合金熱軋厚板橫、縱向室溫拉伸強度和塑性的影響如表3所示。

根據正交試驗原理，極差越大表明該因素對試驗結果的影響越大。由表3分析可知，在試驗條件范圍內，各因素對板材橫、縱向室溫拉伸強度影響從大到小的順序均為冷卻方式、時效溫度、時效時間、固溶溫度，冷卻方式和時效溫度的影響較大，固溶溫度和時效時間的影響較小；各因素下板材橫、縱向室溫塑性指標的極差很小，說明在該試驗條件下4個因素對板材的塑性指標基本沒有影響。

表2 正交試驗方案Tab.2 Scheme of orthogonal test

表3 試驗因素對橫、縱向室溫強度和塑性的影響Tab.3 Effect of test factors on transverse and longitudinal room temperature strength and plastic

對比表3中的極差可知，固溶時效熱處理的冷卻方式對板材室溫拉伸性能的影響最大。隨著冷卻速率的增大，板材的橫、縱向抗拉強度和屈服強度都大幅度提高，橫向的抗拉強度和屈服強度分別提高了101 MPa和88 MPa，縱向的抗拉強度和屈服強度分別提高了59 MPa和56 MPa，橫、縱向斷后伸長率降低0.8%～2%，但斷面收縮率卻提高了3%～4%。時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次之。隨著時效溫度的升高，板材橫、縱向抗拉強度均呈下降趨勢，斷后伸長率基本保持不變，而屈服強度和斷面收縮率呈先略微上升后基本保持不變的趨勢，并在時效溫度為550 ℃左右達到最大值。固溶溫度和時效時間對板材室溫拉伸性能的影響很小，不同參數下的力學性能數據基本一致。

2.2 各因素對力學性能的影響原因分析

合金厚板試樣經固溶空冷+時效處理后的顯微組織形貌如圖2所示，經固溶水冷+時效處理后的顯微組織形貌如圖3所示。根據圖2和圖3可知，其顯微組織為典型的雙相組織，由初生α相+部分β相轉變組織組成，隨著固溶溫度的升高，初生α相逐漸趨于等軸化，β相轉變組織中的次生α相從球狀或短棒狀逐漸變為細小針狀，且初生α相的面積分數降低，從40%降低到30%左右。

2.3 工藝參數的優化分析

SAE AMS 4904C:2015中對板厚為25.4～50.8 mm的固溶時效處理后板材的力學性能的要求為：Rm≥1 000 MPa，Rp0.2≥931 MPa，A≥6%，根據表3可知，固溶處理的冷卻方式對板材室溫拉伸性能的影響最大，采用固溶空冷后經時效處理的試樣，其橫、縱向抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率均能滿足標準的要求，但屈服強度不能滿足標準的要求；采用固溶水冷后經時效處理的試樣，在該試驗條件下任一固溶溫度、時效溫度、時效時間的熱處理條件組合下，其橫、縱向抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率等均能滿足標準的要求，且都有較大富余量。因此固溶后冷卻方式確定為水冷。

圖2 不同固溶空冷+時效工藝處理后板材的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the plate treated by different solution air cooling and aging processes

時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次之，采用水冷時，任一固溶溫度、時效溫度、時效時間的熱處理條件組合，其橫、縱向抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率均能滿足標準的要求，但對比來看，時效溫度為550 ℃左右時合金厚板的綜合性能最好，因此時效溫度確定為550 ℃。

固溶溫度和時效時間對板材室溫拉伸性能的影響很小，采用水冷的條件下不同固溶溫度和時效時間的熱處理條件組合，其橫、縱向抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率均能滿足標準的要求，且數值波動較小。因此，固溶溫度確定為900～960 ℃，時效時間確定為4～6 h。

3 結論

(1) 在試驗條件范圍內，各因素對板材橫、縱向室溫拉伸強度的影響從大到小的順序為冷卻方式、時效溫度、時效時間、固溶溫度，對板材橫、縱向室溫塑性基本沒有影響。

(2) 固溶時效的冷卻方式對板材室溫拉伸性能的影響最大，隨著冷卻速率的增大，板材的橫、縱向抗拉強度和屈服強度都大幅度提高，斷后伸長率和斷面收縮率的波動較小。

(3) 時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次之，隨著時效溫度的升高，板材橫、縱向抗拉強度均呈下降趨勢，斷后伸長率基本保持不變，而屈服強度和斷面收縮率呈先上升后下降趨勢，并在時效溫度為550 ℃左右達到最大值。

(4) 在該試驗條件下，Ti-6Al-4V合金熱軋厚板最優的固溶時效熱處理工藝為900～960 ℃/1.5 h，WC+550 ℃/4～6 h，AC。

圖3 不同固溶水冷+時效工藝處理后板材的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the plate treated by different solution water cooling and aging processes