固溶冷卻方式對短時用高溫鈦合金板材組織和性能的影響

王瑞琴， 葛 鵬， 廖 強， 侯 鵬， 劉 宇

(西部金屬材料股份有限公司， 陜西 西安 710201)

高溫鈦合金的研制一直是鈦合金領域最為活躍、最為重要的一個分支，受到世界各國鈦合金研究者的高度重視。目前，國內外的主要高溫鈦合金最高使用溫度為600 ℃，但是隨著各國航空航天領域的快速發展，新一代的超聲速飛行器、空天飛機的發動機及機體的部分高溫部件使用溫度要求在短時間內達到650～700 ℃[1-2]。現有Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系傳統近α型高溫鈦合金已不能滿足新型航天器的需求，且該類鈦合金的工藝塑性低，加工困難，而對于兩相型高溫鈦合金，則具有優異的室溫強度和較高的塑性，盡管在長時間熱暴露過程中會發生相的不穩定分解，導致組織和性能的不穩定性，但是在高溫短時應用的背景下，這些因素不再重要。為了滿足國防領域和航天領域對高溫短時高強鈦合金的迫切需求，研制了一種新型短時用高溫鈦合金，該合金是在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的基礎上去除Si元素而添加W元素，屬于馬氏體型兩相高溫鈦合金，通過熱處理改善合金組織，以獲得最佳的綜合力學性能。本文通過研究固溶處理后的不同冷卻方式對合金的組織和性能的影響，為該合金的實際生產工藝提供參考依據。

1 試驗材料及方法

本試驗用材料為φ340 mm鑄錠，鑄錠經過3次真空自耗電弧爐熔煉，其化學成分如表1所示。經β單相區開坯、α+β兩相區的鍛造、軋制，得到厚度為12 mm的板材。采用金相法測得材料(α+β)/β的相變點Tβ為(980±5) ℃。用線切割切取力學性能試樣，拉伸試樣的有效尺寸為φ12 mm×65 mm。本試驗采用的熱處理工藝如表2所示。室溫和高溫力學性能測試均在MST電子拉伸試驗機上進行，軸向拉伸速率控制在1 mm/min。每種狀態的試樣數為2個，試驗溫度分別為室溫、600及700 ℃。金相試樣用HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7(體積比)的腐蝕劑腐蝕，然后在Olympus GX51倒置式光學顯微鏡上觀察顯微組織。

2 試驗結果與討論

2.1 冷卻方式對合金組織的影響

圖1為不同冷卻方式下合金的顯微組織，其中圖1(a) 為合金軋制態組織，該組織為等軸α相或拉長的α相和片狀α+β相組成。圖1(b～d)分別為合金在爐冷、空冷和水冷3種方式下的顯微組織。從圖1 可以看出，經過950 ℃×1 h固溶處理后，拉長的α相均已球化，但不同的冷卻方式下，初生α相的含量、尺寸及次生α相的形貌不同。固溶處理后爐冷方式下，初生α相的含量最多，尺寸也最大，含量約為58%，尺寸約為8 μm，隨著冷卻速度的增大，初生α相的含量和尺寸均逐漸減小，空冷時α相平均尺寸降低至約6.7 μm，水冷約4.7 μm；空冷時α相體積分數減少至約33%，水冷約26%。在隨后的時效過程中，3種冷卻方式下析出的次生α相尺寸都較細小，但爐冷析出的次生α相數量較少，空冷和水冷析出的次生α相尺寸和數量相差不大。

圖1 短時用高溫鈦合金板材在不同熱處理制度下的橫向顯微組織(a)軋態; (b)爐冷; (c)空冷; (d)水冷Fig.1 Transverse microstructure of the short-term servicing high-temperature titanium alloy plate under different heat treatment processes(a) as-rolled; (b) furnace cooled; (c) air cooled; (d) water cooled

合金經過相同的950 ℃固溶后，冷卻方式的不同直接影響時效前組織中殘留的β相含量。爐冷的冷卻速率低，β相有足夠的能量和時間轉化為次生α相，同時爐冷有足夠的時間保障合金元素在基體中的擴散，從β相中析出的次生α相來不及長大就被α相吞并并長大，因此爐冷出現較大的初生α相和較小的次生α相的混合組織。合金在固溶后的空冷時，雖冷卻速率較爐冷高，但也有一定的時間和能量來保證β轉變組織中α相的生長，其合金元素在基體中也有擴散，但擴散較慢，α相來不及吞并析出的次生α相，因此空冷時的針狀次生α相的尺寸反而較爐冷的長。另外，該合金的Mo含量較高，空冷和水冷的效果相當，時效開始前合金中還殘留有相當量的亞穩β相，在隨后的時效過程中亞穩β相進一步分解生成較為穩定的α+β相[3-5]。水冷時，殘留的亞穩β相來不及發生平衡相變形成α相，主要通過原子遷移得到亞穩定過渡相即α″和α′，α″和α′馬氏體相均為無擴散相形成的很不穩定的亞穩相[5]，在隨后的時效過程中，α″和α′相發生分解，生成穩定的α+β相。因水冷的過冷度較大，合金元素的擴散來不及進行，次生α相的形核率很高，形成大量的次生α核，在時效過程中 α相 也沒有明顯長大，仍為細針狀。

2.2 冷卻方式對合金性能的影響

圖2為固溶后不同冷卻方式下合金的室溫、600 ℃及700 ℃拉伸性能，從圖2可以看出，室溫強度隨冷卻速率的增加而增加，對應的室溫塑性則降低；600、700 ℃高溫強度也隨著冷卻速率的增加而增加，伸長率和斷面收縮率隨之有所降低。這是因為隨著冷卻速率的增加，殘余β相增多，從而限制了初生α相的長大；冷卻速率越高，析出的次生α相也越細小，且次生α相的析出量增多，因此晶界面積增加，在室溫時起到晶界強化的作用，高溫拉伸時晶界對高溫強度的強化作用減弱[6-8]，隨冷卻速率的增加，過冷度變大，次生α相 形核率升高，尺寸較小的次生α相析出數量增多，并且分布較為錯亂，高溫拉伸變形時次生α相相互齒合，對合金的高溫強度起到一定的提高作用。對比3種固溶冷卻方式下合金的力學性能，固溶處理后采用空冷方式即可獲得較好的綜合性能，室溫抗拉強度>1200 MPa，伸長率>10%，600 ℃高溫抗拉強度>750 MPa，伸長率>25%，700 ℃高溫抗拉強度>450 MPa，伸長率>40%，且該冷卻方式也適宜于工業生產。

圖2 不同熱處理制度下短時用高溫鈦合金板材不同溫度的橫向力學性能(a)室溫; (b) 600 ℃; (c) 700 ℃Fig.2 Transverse mechanical properties at different temperatures of the short-term servicing high-temperature titanium alloy plate under different heat treatment processes(a) room temperature; (b) 600 ℃; (c) 700 ℃

3 結論

1) 新型短時用高溫鈦合金熱軋板材經不同冷卻方式的固溶處理及時效后，合金的組織均為α+β相，隨著冷卻速率的增加，初生α相的含量和尺寸逐漸減小，3種冷卻方式下析出的次生α尺寸都較細小，但爐冷析出的次生α相數量較少，空冷和水冷析出的次生α相尺寸和數量相差不大。

2) 固溶冷卻方式對合金性能有較明顯的影響，隨著冷卻速率的提高，合金的室溫、600 ℃及700 ℃高溫強度提高而塑性降低。合金固溶處理后采用空冷方式可獲得較好的綜合力學性能。