固溶時(shí)效對(duì)Ti-662合金組織和力學(xué)性能的影響

高生輝 楊娜 楊嘉珞 朱接柱

（新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

0 引言

鈦及鈦合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能以及良好的生物相容性，廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、石油、醫(yī)療器械等行業(yè)。在TC4 鈦合金基礎(chǔ)上添加更多的β 穩(wěn)定劑研制出名義成分為T(mén)i-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe的高強(qiáng)度α＋β 型鈦合金，其強(qiáng)度和淬透性有明顯的提高該[1-3]。合金還具有優(yōu)異的耐蝕性能，在海水或石油介質(zhì)中工作，其抗腐蝕能力高于1Cr18Ni9Ti，特別是對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。因此，Ti-662 合金在航海、石油勘測(cè)領(lǐng)域有廣闊的前景[3-4]。

Ti-662 合金具有熱處理強(qiáng)化效應(yīng)，組織與性能對(duì)熱處理制度敏感，一般以退火態(tài)使用，還可以通過(guò)固溶時(shí)效處理獲得更高的強(qiáng)度[5-7]。研究熱處理制度對(duì)其組織與性能的影響規(guī)律，對(duì)Ti-662 合金實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)作用，從而擴(kuò)大該合金應(yīng)用范圍具有重要意義[8]。本文以Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe 鍛棒為研究對(duì)象，針對(duì)固溶時(shí)效參數(shù)對(duì)Ti-662 合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律展開(kāi)研究，以期獲得該合金最佳固溶時(shí)效處理制度，為生產(chǎn)工藝提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司生產(chǎn)的φ 110 mm 的Ti-662 鈦合金棒材為研究對(duì)象，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，符合GB/T3620.1-2016 鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分要求，用金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為952℃。原始組織為雙態(tài)組織，既存在初生α，又存在片層狀α的顯微組織，見(jiàn)圖1。測(cè)得其維氏硬度為353HV5、Rm1075MPa、Rp0.2968MPa。

表1 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe合金棒材化學(xué)成分

圖1 Ti-662合金棒材原始組織

固態(tài)相變是鈦合金組織和性能發(fā)生改變的重要特征，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)以固溶溫度、冷卻方式及時(shí)效溫度為控制變量，采用電火花線切割15*15*70mm的10組橫向樣品用于拉伸試驗(yàn)，并在同一部位切割10*10*15mm 用于顯微組織觀察的金相樣品，做好標(biāo)記后用CMF 12/65 馬弗爐進(jìn)行固溶時(shí)效處理。試樣固溶時(shí)效熱處理工藝參數(shù)見(jiàn)表2。所有金相試樣經(jīng)熱處理后用車床車去2mm 氧化皮后打磨拋光，采用Kroll 試劑腐蝕。用ICX41M 型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，并用JY100金相分析軟件測(cè)量初生α含量。采用310HVS-5 型維氏硬度計(jì)和CMT-5205 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行維氏硬度測(cè)試和拉伸測(cè)試，拉伸試樣用GB/T 228.1-2010 中R7 試樣，拉伸第一速率0.3mm/min，第二速率為4.5mm/min。

表2 試驗(yàn)固溶時(shí)效熱處理工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述熱處理制度后的Ti-662合金進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。以固溶溫度為變量研究時(shí)，在840-900℃溫度范圍內(nèi)隨著固溶溫度升高，Ti-662 合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度明顯提高，塑性指標(biāo)下降，硬度在880℃時(shí)達(dá)到最高，隨后下降。以時(shí)效溫度為變量研究時(shí)，在520-580℃溫度范圍內(nèi)隨著時(shí)效溫度升高，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度降低，但塑性指標(biāo)上升顯著，在580℃時(shí)達(dá)到最高，硬度隨時(shí)效溫度升高而降低。

表3 不同熱處理制度后Ti-662合金力學(xué)性能

以冷卻方式為變量研究時(shí)，油冷淬火和水冷淬火對(duì)其硬度產(chǎn)生了較大的影響，其他性能影響非常小。而采用空冷時(shí)，強(qiáng)度和硬度都明顯低于水冷和油冷，塑性方面差異很小。通過(guò)比較極差發(fā)現(xiàn)，在固溶溫度改變時(shí)其抗拉強(qiáng)度極差最大和屈服強(qiáng)度極差最大，分別為214 和206，因此固溶溫度對(duì)其強(qiáng)度的影響較大，其次是冷卻方式，最后是時(shí)效溫度；在時(shí)效溫度改變時(shí)斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率極差最大，分別為5 和15，因此時(shí)效溫度對(duì)其塑性影響效果最為顯著。

2.2 固溶溫度對(duì)顯微組織和力學(xué)性能影響

圖2 為T(mén)i-662 合金分別在840、860、880、900℃固溶1.5h，并于540℃下時(shí)效4h 后的顯微組織照片。由圖2可知，不同溫度固溶處理后顯微組織為等軸和拉長(zhǎng)的初生α 相、次生α 相和β 基體組成。隨著固溶溫度升高，初生α 含量由840℃時(shí)的33.6%降低到900℃時(shí)13.6%，初生α 含量與固溶溫度有關(guān)，隨著溫度升高，初生α 相脫溶至基體，發(fā)生α→β 的轉(zhuǎn)變，在隨后快冷時(shí)發(fā)生β→α′的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致α′含量變高[8]，時(shí)效發(fā)生不穩(wěn)定相分解后新生成的細(xì)小針狀次生α 相隱藏在β 基體內(nèi)，與位錯(cuò)交互作用使得合金發(fā)生強(qiáng)化，抗拉強(qiáng)度由840℃時(shí)1352MPa 提升至900℃時(shí)1566MPa，硬度也相應(yīng)提升。此外針狀次生α 相數(shù)量增加，容易在針狀尖角處應(yīng)力集中而導(dǎo)致合金的塑性下降，Z 由17% 下降 到10%，A 由7.0%下降到3.0%。

圖2 Ti-662合金不同固溶溫度后經(jīng)540℃時(shí)效處理后顯微組織

2.3 冷卻方式對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響

圖3 為T(mén)i-662 合金分別在880℃/1.5h 水冷、空冷和油冷，并于540℃下時(shí)效4h后的顯微組織照片。由圖3 可知，冷卻速度對(duì)初生α 含量基本無(wú)影響，都保持在20%附近，在880℃兩相區(qū)空冷時(shí)，由于冷卻速度緩慢合金中的初生α 尺寸較WQ 和OQ 時(shí)變大，片層βT變厚，時(shí)效過(guò)程再次空冷起到穩(wěn)定組織作用，見(jiàn)圖3b。在WQ 和OQ 條件下冷卻速度較快，相變機(jī)制一致，合金的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)相差不大，但采用WQ時(shí)硬度為458HV5，OQ 時(shí)硬度值為420HV5，所以WQ淬透性強(qiáng)于OQ。考慮到實(shí)際生產(chǎn)中OQ 操作復(fù)雜、后續(xù)處理繁瑣，對(duì)比發(fā)現(xiàn)Ti-662 合金固溶時(shí)宜采用水冷處理。

圖3 Ti-662合金不同冷卻方式后經(jīng)540℃時(shí)效處理后顯微組織

2.4 時(shí)效溫度對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響

圖4 為T(mén)i-662 合金分別在880℃/1.5h 水冷，分別于520、540、560、580℃下時(shí)效4h后的顯微組織照片。時(shí)效處理后顯微組織為初生α 相、次生α 相和β 基體組成，β 基體上彌散分布次生針狀α相。初生α 含量都在20%附近，因此時(shí)效溫度對(duì)初生α 含量影響較小。圖4a 到圖4d 中隨著溫度提高，次生α 相析出驅(qū)動(dòng)力增加[9-10]，次生α含量逐漸增加，且有變厚的發(fā)展趨勢(shì)，因此圖4d中β基體更為清楚。由于細(xì)小α相長(zhǎng)寬比發(fā)生變化，與位錯(cuò)交互作用效果隨之改變，在580℃時(shí)效長(zhǎng)寬比最小，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力減弱，與520℃時(shí)效相比其抗拉強(qiáng)度下降了185MPa，屈服強(qiáng)度下降128MPa，硬度也呈下降趨勢(shì)。次生α 長(zhǎng)大相應(yīng)的降低了應(yīng)力集中程度，合金的塑性明顯提升，580℃時(shí)效后A和Z達(dá)到最高分別為8.0%和21%。

圖4 Ti-662合金880℃固溶處理后不同時(shí)效溫度處理后顯微組織

3 結(jié)論

（1）固溶溫度對(duì)Ti-662 合金強(qiáng)度的影響最大，其次是冷卻速度；時(shí)效溫度對(duì)其塑性影響最大。

（2）隨著固溶溫度提高，Ti-662合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都提高，塑性下降；隨著時(shí)效溫度提高，合金強(qiáng)度降低，塑性提高。

（3）Ti-662合金固溶水冷比油冷硬度高，強(qiáng)度和塑性基本一致，水冷在實(shí)際生產(chǎn)中也更方便環(huán)保。

（4）Ti-662合金適宜在860-880℃范圍內(nèi)固溶處理，560-580℃范圍內(nèi)時(shí)效處理，可以獲得優(yōu)異的綜合性能。