冷卻方式對Ti-6Al-4V合金組織與力學(xué)性能的影響

呂鵬 黨鵬 馬燕兵 田慶 黨仁賀

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

Ti-6Al-4V 合金也稱TC4 合金，是目前最常見的鈦合金，該合金具有良好的室溫強(qiáng)度、優(yōu)異的變形能力以及良好的耐腐蝕性等特點(diǎn)[1]，在軍工、航海、航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都有十分廣泛的使用，因?yàn)槠涫褂梅秶鷱V，故該合金也被稱為萬能鈦合金[2]。

雖然目前對Ti-6Al-4V 合金的研究較多[3-4]，但大多數(shù)研究均是對Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行固溶時(shí)效處理，隨后測試其拉伸性能，但對其它冷卻方法研究較少，故本試驗(yàn)對Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行加熱處理后，分別采用三種不同的冷卻方式對其進(jìn)行冷卻，隨后進(jìn)行微觀組織分析與力學(xué)性能測試，得出相應(yīng)對關(guān)系，為該合金的工業(yè)應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選用直徑為110 mm 的Ti-6Al-4V 合金棒材作為試驗(yàn)材料，該棒材原材料為Al-V 中間合金以及小顆粒海綿鈦，為保持棒材成分均勻性，經(jīng)真空自耗熔煉爐熔煉三次成鈦合金鑄錠，再由自由鍛造機(jī)鍛造而成棒坯，再經(jīng)校直、去黑皮、探傷等工藝制成直徑為110 mm 的成品棒材。試驗(yàn)用棒材的化學(xué)成分為：6.4%Al、4.3% V、0.12% O、0.145% Fe、Ti 余量。通過金相法測得該棒材相變點(diǎn)為980 ℃。試驗(yàn)用Ti-6Al-4V 合金棒材的原始鍛態(tài)微觀組織如圖1 所示，該組織為典型的雙態(tài)組織，該組織由初生α 相、次生α 相以及殘余β相構(gòu)成，是明顯的兩相區(qū)鍛造組織。

圖1 原始鍛態(tài)微觀組織

將Ti-6Al-4V合金棒材進(jìn)行線切割加工，隨后選取兩相區(qū)溫度940 ℃對該棒材進(jìn)行加熱并保溫1h，熱處理完后對棒材進(jìn)行水冷、空冷、爐冷三種方式冷卻，隨后觀察試樣微觀組織，并測試?yán)煨阅埽煨阅軠y試項(xiàng)目有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后延伸率、斷面收縮率。采用高精度等級電阻爐對試樣進(jìn)行加熱處理，使用光學(xué)顯微鏡觀察試樣微觀組織，采用萬能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)測試?yán)煨阅堋?/p>

2 微觀組織

圖2為合金經(jīng)不同冷卻方式處理后的微觀組織，由圖2 可知，與原始微觀組織相比較，經(jīng)三種冷卻方式處理后，均存在大量初生α 相，其形貌以長條狀和等軸狀為主，其中合金經(jīng)水冷（圖2a）與空冷（圖2b）處理后，組織中α 相形貌大體一致，合金經(jīng)爐冷（圖2c）處理后，組織中初生α相尺寸與形貌明顯增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，組織中次生α 相含量與尺寸增加明顯，并有少量殘余β相。

圖2 經(jīng)不同冷卻方式處理后的微觀組織

合金在加熱過程中，組織中α 相向β 相轉(zhuǎn)變，在保溫過程中，組織逐漸穩(wěn)定，在冷卻過程中，組織中β相向α 相轉(zhuǎn)變，形成次生α 相。當(dāng)冷卻方式為水冷時(shí)，此時(shí)冷卻速度較快，形成過飽和固溶體，同時(shí)較快的冷卻速度以及較大的過冷度會(huì)使得組織中發(fā)生馬氏體相變，即形成α'相。當(dāng)冷卻方式為空冷時(shí)，此時(shí)冷卻速度同樣較快，但過冷度較小，無法發(fā)生馬氏體相變，此處組織中只發(fā)生β 相→α 相轉(zhuǎn)變。當(dāng)冷卻方式為爐冷時(shí)，因?yàn)槠淅鋮s速度十分緩慢，與空冷一致，組織中只發(fā)生β 相→α 相轉(zhuǎn)變，但較慢的冷卻速度會(huì)使組織中α相不斷粗化長大。

3 力學(xué)性能

對經(jīng)不同冷卻方式處理后的合金進(jìn)行拉伸性能測試，具體結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，三種冷卻方式中，合金經(jīng)水冷處理后的強(qiáng)度最大，其次是空冷，最后是爐冷。在塑性方面，其趨勢與強(qiáng)度相反，合金經(jīng)爐冷處理后，塑性最佳，其次是空冷、水冷。

圖3 經(jīng)不同冷卻方式處理后的力學(xué)性能

微觀組織是影響合金拉伸性能的主要因素，合金經(jīng)水冷處理后，組織中存在大量條狀與球狀α 相，且析出大量十分細(xì)小的α'相，當(dāng)合金進(jìn)行拉伸時(shí)，大量α'相會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)發(fā)生聚集，從而形成位錯(cuò)塞積，使得合金難以發(fā)生變形，此時(shí)合金強(qiáng)度較高。當(dāng)合金經(jīng)空冷處理后，其微觀形貌與水冷接近，但此時(shí)組織并無α'相，只有細(xì)小的次生α 相，由于α'相強(qiáng)度較α相要高，導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降。當(dāng)合金經(jīng)爐冷處理后，組織以大量等軸狀α相為主，因?yàn)榈容S狀α相對塑性變形起到促進(jìn)作用，進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)爐冷處理后的合金強(qiáng)度較低，塑性較高。

4 結(jié)論

1）合金經(jīng)三種冷卻方式處理后，水冷與空冷的微觀組織較為接近，而爐冷的組織粗化明顯；

2）合金經(jīng)水冷處理后，組織中析出α'相，經(jīng)空冷與爐冷處理后，并無α'相析出；

3）合金經(jīng)水冷處理后，合金強(qiáng)度最大，其次為空冷、爐冷，塑性趨勢與強(qiáng)度相反。