一种提高Ti5553合金综合性能的热加工方法

王 华，代光华

(1.海军装备部，陕西 西安 710021)(2.陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西 咸阳 713801)

一种提高Ti5553合金综合性能的热加工方法

王 华1，代光华2

(1.海军装备部，陕西 西安 710021)(2.陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西 咸阳 713801)

为了让Ti5553合金的强度和韧性等综合性能指标达到良好匹配，充分发挥其高强高韧的特点，提出了一种新的热加工方法。首先对Ti5553合金轧棒进行充分改锻，初步得到均匀、细小、无偏析、无β斑的基体组织，然后再利用β锻造形成一种细小密集的网篮组织，并在最后的β热处理过程中，生成β晶粒内的细小片状α转相和晶界处细小分散的α转相。结果表明：采用(Tβ-30)℃两相区改锻、(Tβ-30)℃预锻与(Tβ+20)℃β锻造的联合模锻以及(Tβ+35)℃退火+600 ℃时效的β热处理工艺后，可获得一种理想的β型钛合金组织，使该合金的强度、塑性和断裂韧性等综合性能指标都有所提高。

Ti5553合金；网篮组织；β锻造；β热处理

0 引 言

Ti5553合金是一种新型高强高韧钛合金，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr。该合金属于β型钛合金，拥有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，目前主要用于波音787飞机和空客A350飞机的起落架、机翼结构等20多种承力部件，代替了原来所使用的Ti-6Al-4V合金和Ti-1023合金。据统计，采用Ti5553合金可以使飞机的总质量减轻8%，在我国C919等大型民用飞机上也得到了推广应用，也可进一步推广应用于其它军用飞机上。

实际使用中的Ti5553合金多是网篮组织，即α转+β转组织，也就是在β转基体上存在片状α转组织。理想的Ti5553合金组织应该是β晶粒细小、晶粒内部α转相细密、β晶界处存在细小断续的片状α转相的网篮组织。这种网篮组织可以使Ti5553合金的强度、塑性和断裂韧性得到较好的匹配，综合性能优良。

由于生产中有一批作为模锻原料的Ti5553合金轧制棒材，按照MTL-3103 及BMS 7-360G标准的要求进行(Tβ+35)℃×90 min/FC+600 ℃×9 h/AC热处理后，取样观察金相组织发现：组织粗大且不均匀，β晶界处存在连续平直厚大的片状α转相，且还有β斑存在。通常这种组织的钛合金强度偏低，达不到标准要求值，影响构件使用的可靠性。为此，本研究探索用特殊的热加工方法来改善Ti5553合金轧制棒材的组织和性能，以获得组织致密，强度达到标

准要求，而塑性和断裂韧性匹配良好的锻件[1-3]。

1 实 验

实验材料为φ250 mm×200 mm的Ti5553合金轧制棒材，其β相变点为840 ℃。分别按照表1给出的两种热加工工艺对其进行加工。

表1 热加工工艺方案

对经过2种工艺热加工后的Ti5553合金的显微组织、拉伸性能和断裂韧性进行表征。拉伸性能和断裂韧性测试采用CL-3001拉伸试验机；显微组织观察在CL-2002金相显微镜上完成[4]。

2 结果与讨论

图1为Ti5553合金轧制棒材经(Tβ+35)℃×90 min/FC+600 ℃×9 h/AC热处理后的金相照片。其综合性能见表2。从图1和表2可以看出，轧制棒材热处理后的组织粗大且不均匀，β晶界处存在连续平直厚大的片状α转相。表明轧制棒材固有的组织不

均匀性以及β斑缺陷未能通过热处理消除，造成棒材强度明显偏低，断裂韧性偏高。

图1 Ti5553合金轧制棒材热处理后的金相照片Fig.1 Metallographs of Ti5553 alloy after heat treatment

Rm/MPa纵向横向 Rp02/MPa纵向横向 A/%纵向横向 Z/%纵向横向KIC/MPa·m1/2高向1051310363 100149870 155125 2202059891045810513 99669966 145125 215235102

图2为经2种不同的热加工工艺加工后Ti5553合金模锻件的金相照片。表3为其相应的综合性能。对比两种热加工工艺所获得的Ti5553合金组织发现：热加工工艺1的β基体晶粒尺寸略小，晶内的片状α转略厚些，β晶界处的α转片也要厚些且尺寸长；而热加工工艺2的β晶粒尺寸略大，但晶粒内的片状α转要薄且尺寸小，尤其是β晶界处的α转片细小且断续。对比两种热加工工艺所获得Ti5553合金的性能发现：热加工工艺1的Rm平均值纵向为1 154 MPa,横向为1 165 MPa，分别超过标准要求指标横向81.1 MPa,纵向47.2 MPa,KIC平均值为80.1 MPa· m1/2,比标准要求高8.6 MPa· m1/2； 而热加工工艺2的Rm平均值纵向为1 138.1 MPa,横向为1 118.7 MPa，分别超过标准要求指标横向65.1 MPa,纵向45.1 MPa,KIC平均值为87.8 MPa· m1/2,超过标准要求指标16.3 MPa· m1/2。

综合组织和性能的对比分析结果，热加工工艺2获得的Ti5553合金网篮组织更加细密，强度达到了标准要求的指标，而断裂韧性还保持在较高的水平，强度、塑性和断裂韧性达到了良好匹配。

图2 2种热加工工艺方案得到的Ti5553合金的金相照片Fig.2 Metallographs of Ti5553 alloy processed by two different thermal processing methods

编号Rm/MPa纵向横向 Rp02/MPa纵向横向 A/%纵向横向 Z/%纵向横向KIC/MPa·m1/2高向方案11164811750 1052710710 75105 1952108041149711443 1013710450 110105 2402607831147711784 1052010827 8090 260265816方案21134711170 1032210356 110105 2302659021134011155 1031510322 110110 2402458851145611237 1052710404 120110 260240847标准要求≥1073≥1073 ≥957≥957 ≥6≥6 实测实测≥715

3 结 论

通过2种不同热加工工艺都可以获得具有细密网篮组织的Ti5553合金，且性能达到了标准要求。而热加工工艺2获得的Ti5553合金强度、塑性、断裂韧性不但均符合标准要求，而且达到了良好匹配。

[1] 付艳艳，宋月清，惠松骁，等.热处理对VST55531钛合金的组织和拉伸性能的影响[J].稀有金属，2008，32(4)：399-403.

[2] Wagner V, Baili M, Dessein G. Experimental characterization of behavior laws for titanium alloys:application to Ti5553[J].Key Engineering Materials,2010,446:147-155.

[3] Jones N, Jackson M, Dye D, et al. Comparing the hot working behaviour of high strength beta alloys Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr with that of Ti-10V-2Fe-3Al[C]//Ti-2007 science and Technology.Japan,2007:1005-1008.

[4] 付艳艳，宋月清，惠松骁，等.用正交实验法优化VST55531钛合金的热处理工艺[J].金属热处理，2008，33(7)：66-68.

A Thermal Processing Method of Improving Comprehensive Performance of Ti5553 Alloy

Wang Hua1，Dai Guanghua2

( 1. Admiralty Equipment Department， Xi’an 710021，China ) (2. Shaanxi Hong Yuan Aviation Forging Co. , Ltd. ， Xianyang 713801，China)

In order to improve the comprehensive performance including strength and toughness of Ti5553 alloy，and give full play to its high strength and toughness characteristics，a novel thermal processing method was proposed. Rolled Ti5553 alloy bars were forged firstly, with the purpose of obtaining smaller, no segregation, no beta spot and uniform structure, and then formed the basket lattice structure through beta forging, after beta heat treatment process, smaller plate-like alpha transfer in beta grain size and small, scattered transfer alpha in grain boundary were generated. The results show that the ideal beta structure of titanium alloy can be obtained, and the comprehensive performance of Ti5553 alloy can be improved by the novel thermal process, which is forging in alpha+beta phase of (Tβ-30)℃ firstly, and then die forging at (Tβ-30)℃ and (Tβ+20)℃ in turns，finally annealing at (Tβ+35)℃ and aging at 600 ℃.

Ti5553 alloy；basket lattice structure； beta forging；beta heat treatment

2013-09-09

王华(1978—)，男，工程师。