熱處理對Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金力學性能的影響

Ti-10V-2Fe-3Al 合金是一種近β 型鈦合金，由于具有高強、高韌、高比強度、深淬透性和優良的熱加工性在航空航天領域具有廣泛的應用前景。與目前航空航天領域用量最大的Ti-6A l-4V 合金相比，Ti-10V-2Fe-3Al 合金的β 轉變溫度一般為790℃～815℃，比Ti-6Al-4V 合金的β轉變溫度大約低100℃。在β 轉變溫度附近變形的流動應力與Ti-6Al-4V 合金935℃變形的流動應力相當，可用于生產各類棒材、板材、鍛件等產品，尤其適用于制造316℃以下工作的發動機零件。與鍛造等加工工藝相比，熱處理能夠在不改變工件的尺寸結構和化學成分的前提下，有效改善工件內部的微觀組織，最終獲得優良的使用性能和工藝性能，達到提升產品質量、延長使用壽命的目的。Ti-10V-2Fe-3Al 合金主要采用固溶+時效的熱處理制度，由于該合金熱變形行為復雜，固溶溫度、冷卻速度和時效溫度等熱處理參數在很大程度上決定了最終的組織性能。實際生產中，Ti-10V-2Fe-3Al 合金經常出現熱處理后強度和塑性不匹配、不達標的情況，一次生產合格率較低。因此，研究主要熱處理參數對性能的影響規律、確定合理的熱處理制度、合理匹配合金的強度和塑性是實際工程中亟需解決的重要問題。

本文通過對Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金鍛件在不同固溶和時效溫度下的熱處理，分別研究了固溶溫度和時效溫度對Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金強度和塑性的影響，最終確定了較優化的熱處理參數。

試驗原材料

試驗原材料為某廠家生產的

130mm 的Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金棒材，棒材經3 次真空自耗電弧(VAR)熔煉，其化學成分(質量分數)見表1，采用淬火金相法測得其相變溫度為823℃。棒材的低倍組織如圖1 所示，低倍組織均勻，未見冶金缺陷。腐蝕劑及比例為HF：HNO

：H

O=2：5：13，腐蝕時間為2min，腐蝕溫度為室溫。

學術界對高等教育發展的范式研究成果相對不足，我們傾向于按照“高等教育自身知識體系積累”的標準將改革開放以來的高等教育發展范式分為“體系化”發展范式、“實效化”發展范式、“文化主義”發展范式［9］這樣三個階段，并且將當前及未來一段時期內高等教育發展的主要范式表述為“個性化”范式。所謂“個性化”范式指的是一種在學生“數字化生存”和“文化生存”時代，通過發揮高等教育的差異化教學、因材施教功能確保每一個學生個體都可以獲得全面自由發展的范式，在本質性的意義上它區別于傳統的“批量化”“復制式”“灌輸式”的教育范式。

3）持續監測及空洞探測。在盾構完成穿越高鐵橋梁樁基后，持續進行自動化監測，至監測數據穩定后方可減少監測頻率，監測結果顯示橋墩變形量均在允許范圍內；對盾構穿越鐵路影響區域進行地層密實性和空洞情況雷達地質掃描后未發現地層空洞。

隨著時效溫度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金的抗拉強度和屈服強度明顯降低，伸長率和斷面收縮率提高。

圖3 為不同固溶溫度對Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金顯微組織，可以看出隨著固溶溫度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金的初生α 相減少。

試驗結果分析

固溶溫度對鈦合金拉伸性能的影響

每一個黃昏，在華僑皮鞋廠下班以后，家里小閣樓實在悶熱，搬一只椅子，擱在樓下濕蔭蔭的地上，看書——這本書或可是叔本華、尼采，或可是陀思妥耶夫斯基的《白癡》，后者是用一首短詩的稿酬換來的。一個少年性子里無告的安詳與忍耐，或許是教堂日復一日的鐘聲所培養的吧。

采用英斯特朗電子萬能試驗機分別對熱處理后的鍛件進行縱向室溫拉伸性能測試，測試方法參照GB/T 228.1-2010，金相組織采用奧林巴斯GX71 金相顯微鏡進行觀察，腐蝕劑：4mLHF+6mL10%草酸水+90mLH

O，腐蝕時間：10s，腐蝕溫度：室溫。

隨著固溶溫度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金的抗拉和屈服強度都有一定幅度的提高，而伸長率和斷面收縮率下降，顯微組織中初生α 相變小，且含量減少。

時效溫度對鈦合金拉伸性能的影響

次生α 相是在時效過程中析出的。在相同的固溶條件下，隨著時效溫度增加，次生α 相尺寸增大、數量減少，材料抗拉強度和屈服強度降低，延伸率和斷面收縮率都明顯增加。

棒材經α+β 兩相區鍛造成鍛件，鍛件的有效厚度為50mm 左右，選擇其中的5 個鍛件進行整體熱處理，借鑒前期的生產經驗，將固溶溫度分別設置為760℃、765℃和770℃，保溫2h，冷卻方式為水冷；時效溫度固定為520℃，保溫8h，冷卻方式為空冷，測試不同的固溶溫度對合金強度和塑性的影響。為分析時效溫度對合金強度和塑性的影響，固溶溫度固定為765℃，保溫2h，冷卻方式為水冷，時效溫度分別設置為520℃、523℃和526℃，保溫8h，冷卻方式空冷。具體的試驗方案見表2。

結果分析

同比，在相同的時效制度下，固溶溫度在760℃到770℃之間時，固溶溫度提高10℃，抗拉強度和屈服強度分別提高74MPa 和65MPa，伸長率和斷面收縮率相應分別下降4.2%和12.9%。在相同的固溶制度下，時效溫度在520℃到525℃之間時，時效溫度提高5℃，抗拉強度降低了77MPa，屈服強度降低了64MPa，而伸長率和斷面收縮率分別提高了3.7%和15.3%。因此說明在該溫度范圍區間，時效溫度對合金性能的影響大于固溶溫度。

固溶+時效后的Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金的顯微組織主要由β 基體、初生α 相以及次生α相組成。其中初生α相的數量對針狀次生α相的析出有影響，在相同的時效條件下，隨著固溶溫度的提高，更多的初生α 相發生了溶解，初生α 相體積分數逐漸減少，并在時效時以針狀次生α 相的形態析出，因此鍛件的強度提高，塑性下降。

不同固溶溫度對Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金拉伸性能的影響如圖2 所示。固溶溫度從760℃提高到765℃和770℃，在相同的時效制度下，加熱溫度520 ℃，保溫8h，空冷。在強度方面，抗拉強度 從1148MPa 提 高 到1192MPa 和1222MPa，分 別提高了44MPa 和74MPa；屈服強度從1105MPa 提高 到1143MPa 和1170MPa，分 別 提 高 了38MPa 和65MPa。在塑性方面，伸長率從13.5%降至10.9%和9.3%，分別下降了2.6%和4.2%；斷面收縮率從43.5%降至38.3%和30.6%，分別下降了5.2%和12.9%。

不同時效溫度下Ti-10V-2Fe-3Al 鈦合金拉伸性能如圖4 所示。時效溫度從520℃提高到523℃和525℃，在相同的固溶制度下，加熱溫度765℃，保溫2h，水冷。在強度方面，抗拉強度從1192MPa降低到1156MPa 和1115MPa，分別降低了36MPa和77MPa；屈服強度從1143MPa 降低到1117MPa 和1079MPa，分別降低了26MPa 和64MPa。在塑性方面，伸長率從10.9%提高至11.9%和14.6%，分別提高了1%和3.7%；斷面收縮率從38.3%提高至42%和53.6%，分別提高了3.7%和15.3%。

鈦合金通過固溶處理獲得過飽和固溶體，然后在時效過程中，第二相通過形核和核長大的方式在過飽和固溶體中析出，起到時效強化、提高合金強度的作用。

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結論

(1)采用相同的時效制度520℃×8h，空冷，合金的固溶溫度在760℃到770℃之間時，隨著固溶溫度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 合金的抗拉強度和屈服強度明顯提高，伸長率和斷面收縮率均下降，顯微組織中初生α 相變小，且含量減少。

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(2)采用相同的固溶制度765℃×2h，水冷，合金的時效溫度在520℃到525℃之間時，隨著時效溫度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 合金的抗拉強度和屈服強度明顯降低，伸長率和斷面收縮率提高。

(3)在該溫度范圍區間，時效溫度對合金性能的影響大于固溶溫度。