Ti-4.5Al-3Mo-1V鈦合金管材熱處理工藝試驗研究

黃艷華 呂亞平 樊 凱 童 攀 張 鵬

（1.湖南金天鈦業科技有限公司，湖南 常德 415000 ；2.93145 部隊 ,湖南 株洲 412002）

鈦合金憑借其密度低、比強度高、耐腐蝕性好、無磁性、焊接性能好等眾多優異性能，廣泛應用于航空、航天、艦船、化工等領域。Ti-4.5Al-3Mo-1V是蘇聯材料研究院于20 世紀50 年代末研制的一種低鋁當量（α+β）型高強高韌鈦合金。具有較好的焊接性能和加工性能，可用于制作長期使用的結構件、高壓容器等零件。目前，國內關于 Ti-4.5Al-3Mo-1V合金的研究主要集中在軋制工藝對顯微組織與力學性能影響、應力松弛行為及微觀機理研究、單一熱處理因素對組織與性能的影響等方面。該文擬采用正交試驗法研究退火溫度、退火時間、冷卻方式3種因素對Ti-4.5Al-3Mo-1V鈦合金管材室溫強度、塑性、沖擊性能的影響，旨在獲得最優水平熱處理制度，為實現該合金管材室溫強度、塑性和沖擊性能的綜合匹配提供參考依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料的制備

試驗材料采用三次真空自耗熔煉（VAR）制備成鑄錠，鑄錠經自由鍛開坯后分別在β相區和（α+β）兩相區鍛造成棒坯，最后在β相區軋制成外徑470mm，壁厚30mm的管材。其組織如圖1所示。由圖1可知 Ti-4.5Al-3Mo-1V合金為典型的網籃組織，由長條編織的α相和β轉變基體組成。α相和β相間隔分布且均沿軋制方向被拉長。

圖1 Ti-4.5Al-3Mo-1V管材熱軋態顯微組織

1.2 試驗設計

采用L（3）正交設計試驗研究退火溫度、退火時間、冷卻方式3種因素對Ti-4.5Al-3Mo-1V合金室溫強度、塑性、沖擊性能的影響，各試驗因素的水平見表1。

表1 正交試驗因素及水平

1.3 檢測方法

該試驗及檢測均在某公司檢測中心進行，熱處理采用同一臺箱式電阻爐SX-G36123，爐溫均勻性為±3℃。具體檢測方法及設備見表2。

表2 檢測方法

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

各試驗因素對室溫強度、塑性和沖擊性能的影響結果見表3~表8。根據正交試驗原理，極差值越大，表明該因素對試驗結果的影響程度越大。

從表3、表4數據可以得出，在該試驗的條件范圍內，冷卻方式對合金室溫強度的影響最顯著，退火溫度與退火時間對室溫強度的影響均較小，退火溫度略大于退火時間。當退火工藝參數為930℃+1h+水冷時，室溫強度最高；當退火工藝參數為920℃+3h+爐冷時，室溫強度最低。

表4 各因素各水平對合金室溫強度的影響

從表5、表6數據可以得出，冷卻方式對合金塑性的影響最大，退火溫度與退火時間對塑性的影響均較小，退火時間略大于退火溫度。當退火工藝參數為920℃+2h+爐冷時，塑性最優；當退火工藝參數為930℃+1h+水冷時，塑性最差。

表5 各因素各水平下合金塑性結果

表6 各因素各水平對合金塑性的影響

從表7、表8數據可以得出，冷卻方式對合金沖擊性能的影響最大，其次是退火時間，退火溫度對合金沖擊性能的影響最小。當退火工藝參數為930℃+1h+空冷時，沖擊性能最優；當退火工藝參數為920℃+2h+水冷時，沖擊性能最差。

表7 各因素各水平下合金沖擊性能結果

2.2 各因素對性能影響的分析

從表3~表8可以看出，在該試驗的條件范圍內，冷卻方式對合金性能的影響程度最大，隨著冷卻速度的加快，合金強度提高較為顯著，塑性隨之降低。沖擊性能是強度和塑性的綜合體現，空冷時合金沖擊性能最優。退火時間、退火溫度對合金性能的影響程度較小且兩者的影響程度差距不大。

圖2（a）是試驗合金在930℃ 退火冷卻方式為空冷時的顯微組織，為典型的網籃狀組織，與原始熱軋態顯微組織相比，兩相區保溫空冷后其初生α相長大，粗化。圖2（b）為試驗合金在930℃ 退火冷卻方式為爐冷時的顯微組織，由于冷卻速率變慢，初生α相進一步長大，體積分數明顯增大，其微觀組織仍為網籃狀組織。試驗合金在930℃ 退火冷卻方式為水冷時的顯微組織如圖2（c）所示，由于冷卻速率較快，初生α相呈細小、長條狀分布，而β轉變基體中的次生α相由于冷卻速率過快來不及析出，以細小的針狀馬氏體α'的形式析出。馬氏體相內部含有大量位錯，隨著馬氏體相的增加，表現出強度上升塑性下降的趨勢。初生α相的比例隨著冷卻速率的降低而增加，晶粒尺寸變大，這種尺寸粗化的初生α相組織形貌提高了合金的塑性，降低了強度。水冷時合金的沖擊性能最差，主要由于冷卻速率較快時會產生大量α'馬氏體相，馬氏體相含有大量位錯，對裂紋擴展的阻礙和偏轉作用差，因此沖擊性能差。

圖2 不同冷卻方式下Ti-4.5Al-3Mo-1V管材顯微組織

從表3~表8可以看出，在該試驗的條件范圍內，在相同的冷卻條件下，隨著退火溫度升高，強度先增高后降低，變化幅度較小；塑性無明顯變化；沖擊性能先增強后減弱，變化幅度較小。隨著退火時間延長，強度略有降低且 2h與 3h的強度值基本接近；塑性無明顯變化；沖擊性能呈下降趨勢，變化幅度也很小。圖3中（a）、（b）、（c）分別是試驗合金試樣經940℃、1h，930℃、2h，920℃、3h退火空冷后的顯微組織。從圖中可以看出，組織形貌差異較小，這就是退火溫度、時間發生變化，強度、塑性、沖擊變化不大的原因。

圖3 不同退火溫度下Ti-4.5Al-3Mo-1V管材顯微組織

表3 各因素各水平下合金室溫強度結果

表8 各因素各水平對合金沖擊性能的影響

2.3 熱處理制度優化分析

分析退火溫度、退火時間、冷卻方式對合金強度、塑性、沖擊性能的影響，得出獲得高強度的熱處理方式如下：退火溫度930℃，退火時間1h，水冷。獲得良好塑性的熱處理方式如下：退火溫度920℃，退火時間2h，爐冷。獲得良好沖擊性能的熱處理方式如下：退火溫度920℃，退火時間1h，空冷。

綜上所述，在該試驗范圍條件范圍內，冷卻方式（因素3）對合金室溫強度、塑性、沖擊性能的影響最顯著，退火溫度（因素1）及退火時間（因素2）對合金強度、塑性、韌性的影響均較小且影響程度基本相當。綜合考慮室溫強度、塑性、沖擊性能匹配，合金的最佳熱處理方式如下：退火溫度930 ℃，退火時間1 h，空冷。

3 結論

通過研究退火溫度、退火時間、冷卻方式對Ti-4.5Al-3Mo-1V合金性能的影響，得出：冷卻方式對合金性能的影響最顯著，退火溫度和退火時間對合金性能的影響均較小。當冷卻方式為空冷，退火溫度為930 ℃，退火時間為1 h時，合金可獲得最優的室溫強度、塑性與沖擊性能匹配。