熱處理制度對Ti-5111 合金棒材組織與性能的影響

Ti-5111 合金名義成分為Ti-5Al-1Mo-1V-1Zr-1Sn，是美國研發的一種低成本鈦合金，其含有高濃度α 穩定元素(5%Al)和較低含量β 穩定元素，如V、Mo，屬于近α 合金。Ti-5111 合金強韌性高、可焊接性良好，抵抗海水腐蝕能力優異，且成本低于同特性(例如Ti6Al4V ELI)的鈦合金，因此在高性能潛艇機械和結構部件中具有重要的應用價值，目前它已經被美國應用于一系列海軍服役設備中，例如水下無人車輛外殼。為了將其應用至更多零部件，更深入地了解熱處理工藝對Ti-5111 組織和性能的影響顯得非常必要，這也是本文研究的目的。

在綜合管廊智能化系統研究中，國外的研究起步較早。國外智能化管廊的發展中，具有以下幾個特點：（1）在電子技術飛速發展的過程中，獲得飛速發展；（2）系統發展較為完善，形成了標準化的管理體系；（3）在實際運行過程中，具有較好的效果。我國在綜合管廊智能化系統方面的研究，盡管已經取得了一定的成就，但依然存在不足。我國綜合管廊智能化系統的發展過程中，主要表現在以下幾方面：（1）起步晚且發展時間較短；（2）起點較高，且發展較為迅速；（3）大部分研究是在借鑒國外已有研究的基礎上進行，因此，在運行效果方面，明顯不完善。其中，專業技術人員缺乏和管理模式滯后均是導致運行效果不理想的重要原因。

本研究選用經自由鍛造制備的

47mm 的Ti-5111 精鍛棒材，經過普通退火、不同的固溶時效制度處理，對各自對應的組織和性能進行檢測，分析研究了不同的熱處理制度對Ti-5111 棒材組織和性能的影響。

試驗

試驗材料

本次試驗選用經過二次真空自耗電弧熔煉的Ti-5111鈦合金鑄錠，其相轉變溫度為975℃～985℃，化學成分滿足ASTM 標準要求，如表1 所示。

瓦克有機硅精密薄膜是純度為100%的超薄有機硅膜。這種薄膜介電強度高達100 kV/mm以上。因其優異的電子與機械性能、穩定性和環境相容性，瓦克有機硅精密薄膜可作為電活性聚合物（EAP）用于智能可穿戴產品和海浪能發電。

加工主要設備

從圖4Ti-5111 合金棒材在不同熱處理制度下的沖擊性能變化趨勢可以看出，合金的鍛態沖擊性能較低，隨著退火溫度的升高，沖擊性能逐漸上升。930℃時，沖擊吸收功可達到80J。退火溫度超過相變點后，沖擊性能又降低。R 態及經單重退火處理后，V 形缺口試樣沖擊功均可達50J 以上，表現出良好的沖擊性能。固溶溫度為930℃，經不同時效溫度熱處理。時效溫度為530℃時，沖擊吸收功達到62J。隨著時效溫度升高，沖擊性能大幅度下降。

韓城區塊2015年以來累計壓裂115口井259層，其中有21口井壓裂時波及鄰井。受壓裂波及影響的鄰井36口井39井次，受影響前日總產氣量58 960 m3，目前日總產氣量25 336 m3，減少33 624 m3；受影響前平均日產水量5.05 m3，目前平均日產水量6.62 m3(表1)，對生產影響較大。

試驗方法

對經9 種熱處理后的試樣進行室溫力學性能檢測，室溫拉伸性能、沖擊功變化趨勢見圖4。從圖4Ti-5111 合金棒材在不同熱處理制度下的室溫拉伸性能可以看出，合金在鍛態時，屈服強度和抗拉強度均超過熱處理后的強度，抗拉強度約為940MPa。隨著熱處理溫度的升高，室溫抗拉強度R

、屈服強度R

均呈下降趨勢，伸長率A、斷面收縮率Z 整體呈上升狀態。750℃熱處理后，棒材的抗拉強度下降30MPa，塑性輕微上升；930℃熱處理后，抗拉強度降低約40MPa，塑性相對變化不大。1000℃熱處理后，強度呈明顯上升的趨勢，R

值約945MPa，比R 態提高5MPa，塑形變化卻急劇下降，這是因為熱處理工藝超過相變點，形成魏氏組織，密集排列細長的次生α 相增加了強度，而材料的塑性除了與再結晶β 晶粒尺寸有關外，還與晶界α 相有關。片狀組織中的一定厚度的連續晶界α 相，為顯微孔洞的形核長大到臨界尺寸提供了一條有利途徑，從而產生晶間斷裂，使片狀組織的塑性大幅度低于等軸組織和混合組織。

固溶溫度為930℃不變時，隨著時效溫度的升高，抗拉強度及屈服強度變化不明顯，伸長率、斷面收縮率呈現出先增后減的趨勢。時效溫度較低時，次生α 相呈彌散的針狀析出。隨著時效溫度升高，彌散度增大，從而強化效果增加，而溫度過高時。針狀α 相獲得更大的驅動力，從而發生擴散使得相界發生遷移，形成尺寸較大的片狀α 相，從而強化效果反而下降。

結果與討論

不同熱處理制度對組織的影響

固溶時效為鈦合金中常用的一種熱處理制度。固溶即為在高溫加熱過程中，使得合金元素固溶至基體中，隨后在快冷過程中發生非平衡轉變，從而形成過飽和固溶體，緊接著在隨后的時效過程表中使飽和度降低，從而析出第二相。綜合考慮普通退火后的力學性能檢測結果，選定930℃作為第一重固溶溫度。鈦合金的時效主要是依靠β 相在時效過程中析出彌散的α 固溶體，使合金得到強化。然而，哪個時效溫度才能達到強度和沖擊韌性的最佳配合？本研究分別選擇時效溫度530℃、560℃、590℃、620℃，進行進一步熱處理制度摸索。圖 2(f)、圖2(g)、圖2(h)、圖2(i)為不同時效溫度下的顯微組織形貌。可以看出，隨著時效溫度的提高，整體顯微組織仍是雙態組織，初生α 相含量變化不大。

圖2(a)、 圖2(b)、 圖2(c)、 圖2(d)、 圖2(e)為合金棒材在不同固溶溫度下的顯微組織，對應的不同組織中初生α 相含量變化趨勢見圖3。可以看出，試樣分別在750℃、800℃、930℃、950℃退火后，棒材顯微組織均為雙態組織，即由初生α 相和β 轉變相組成。隨著溫度的升高，初生α 相含量逐漸減少，β 轉變組織逐漸增多。退火溫度為750℃時，組織中含有約55%的初生α 相。溫度為930℃時，初生α相持續向β 相中溶解，初生α 相減少為50%，且α 相形態由拉長狀逐漸轉變為球化程度較好的等軸狀。溫度升至950℃時，初生α 含量減少至45%，β 轉變相中出現少量細長的次生α 相。這是由于在普通退火過程中，隨著溫度的增高，α 相溶解成為高溫過飽和固溶體，初生α 相不斷溶解于β 相中，因此含量相應減少。

（1）中國對 “一帶一路”沿線國家機械運輸設備產品出口的種類比較豐富，且在各國的分布差異在逐步縮小。從圖1中可以看到，2007～2017年，擴展邊際的核密度圖峰值均接近于1，基本在 （0.9～1）之間，這說明中國在 “一帶一路”沿線國家的出口種類比較齊全。2007～2012年，核密度圖的峰值越來越高且曲線位置微微右移，說明中國對 “一帶一路”沿線國家的出口產品種類差距越來越小；由于2012～2016年機械行業市場低迷，所以核密度圖的峰值波動下降，意味著各國的擴展邊際差距稍有變化，但變化幅度并不大。2017年核密度圖的峰值稍有升高，機械行業市場稍有回暖。

Ti-5111 合金棒材經不同熱處理制度下的顯微組織見圖2。

當加熱溫度升至1000℃(α+β/β 相轉變溫度10℃～15℃以上)時，得到魏氏組織(圖2e)，初生α 相大部分轉化為原始β 相，α 晶界及晶內片層α 非常薄，晶內由不同細長的α 集束組成，典型的α 板條被保留的β 層所包圍，β 層富集于β 穩定元素中。這些層的形成是β 穩定元素在遷移界面之前擴散的結果。由此可見，熱處理制度對 Ti-5111鈦合金的組織狀態和相比例有一定的影響，初生α相的含量和次生α 相的比例及形狀因退火溫度改變而得到改變。

不同熱處理制度對力學性能的影響

Ti-5111 鑄錠經單相區開坯，經兩相區多火次自由鍛造變形，最后通過徑向鍛造至

47mm 精鍛棒，其顯微組織如圖1 所示。由圖1 可見，合金組織由拉長的條狀初生α 相和少量β 轉變組織組成，初生α 相含量大約為75%。

熱處理試驗在箱式電阻爐中進行，表2 為試驗中采用的幾種熱處理方案。經熱處理后，使用線切割切取規格15mm×15mm×80mm 的室溫拉伸試樣，15mm×15mm×20mm 的顯微組織試樣，15mm×15mm×60mm 的室溫沖擊韌性試樣(開口類型為“V”口)。以熱態作為基準，檢測各組對應的力學性能和組織形貌。通過分析對比，研究不同的組織性能如何隨熱處理溫度的變化而變化。檢測顯微組織采用Axiovery 200 MAT 光學顯微鏡，利用Clemexe成像軟件配合光學顯微鏡確定顯微組織中初生α 相的體積分數，室溫拉伸性能檢測使用Instron 5885 電子萬能材料試驗機，室溫沖擊韌性使用JNS-300 擺錘式沖擊試驗機。

試驗中所用到主要加工設備為80/100MN(10000t)油壓快鍛機、2500t 油壓機、電阻爐、SXP-13 精鍛機。

為了更好的分析熱處理制度對Ti-5111 合金棒材沖擊性能的影響，對個別沖擊試驗斷口形貌進行分析，見圖5。從圖5 中可見，930℃，950℃，熱處理后的沖擊斷口形貌差異不大，斷口相對平直，呈灰色，1000℃熱處理后的斷口非常粗糙，部分呈現出金屬光澤。圖為沖擊試樣斷口的SEM 照片。從圖中可見，斷口韌窩分布相對均勻，1000℃處理后的斷口韌窩數量較少，且可見解理臺階以及河流花樣。材料的韌性除與α 相比例有關外，還和其形貌有關。930℃處理后的雙態組織，沖擊性能最好，1000℃處理后，可能片狀α 相的位向與主裂紋擴展方向相近，裂紋沿α相片間通過，因此沖擊性能最差。

結論

⑴Ti-5111 鈦合金棒材在九種熱處理制度下性能均符合標準的要求。

運用苗頭預測法是目前解決勞動爭議糾紛的一種非常重要、有效的方法。由于我國用人單位利益和要求日趨多元化，使得我國目前勞資糾紛表現為易激化的特點。糾紛不斷增多，新的、復雜的糾紛不斷出現，有些糾紛極易出現反復，難以調解。成功地運用苗頭預測法能夠主動地掌握這些糾紛的發展態勢，面對可能發生的復雜情況可以及時采取措施并解決，從而預防復雜、激化、嚴重態勢的發生。

⑵在750℃、800℃、930℃、950℃分別單重退火后，初生α 相含量占45%～60%，Ti-5111 棒材的室溫強度隨著退火溫度的提高略有降低，塑性差異不大，沖擊性能先增大后減小；雙重退火后，隨著時效溫度升高，強塑性無明顯變化，沖擊性能顯著下降。

⑶選擇退火制度為 930℃/1h.AC，即可獲得強度和塑性、沖擊性能的相對最佳匹配。