高强WSTi544221合金组织与性能研究

刘松良，楼美琪，侯峰起，王凯旋，孙 峰，李金山

(1. 海军驻沈阳地区航空军事代表室，辽宁 沈阳 110850)(2. 西部超导材料科技股份有限公司 特种钛合金材料制备技术国家地方联合工程实验室，陕西 西安 710018)(3.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072)

0 引 言

钛合金具有较高的比强度、良好的耐蚀性，并可在较高的温度下服役，因此逐渐取代钢材、镍基合金等而被用于飞机框梁和发动机，成为制造飞机结构件的主要材料[1-4]。

为了防止不同结构材料间的电偶腐蚀并保持良好的连接状态，钛合金紧固件成为基体材料与各个部件连接的最佳选择。紧固件用钛合金材料主要分为3类：一类是具有较低Mo当量的α+β型两相钛合金，典型牌号为Ti-6Al-4V，可在400 ℃以下长期服役；第二类是临界成分的α+β型两相钛合金，如俄罗斯的BT16(TC16)，具有良好冷镦成形性，同时可热处理强化；第三类是亚稳β型钛合金，如美国的β-C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)、Ti-15-3、Beta-CEZ和我国TB8等合金，主要用于制造高强钛合金紧固件[5-7]。

WSTi544221合金是一种亚稳β型钛合金，其名义成分为Ti-5Al-4Mo-4Zr-2Sn-2Cr-1Fe，与20世纪90年代法国研制成功的Beta-CEZ相近，并兼具了Ti-662-Zr合金的强度及韧性、Ti-17合金相对中等温度下的抗蠕变能力和Ti1023合金的强度及热处理敏感性。相比于Ti-662-Zr合金，WSTi544221合金在其基础上采用Mo元素代替V元素，并添加了Cr、Fe元素，使β稳定元素含量接近临界浓度，因此具有良好的热处理敏感性和压力加工性，并具有高的强度(抗拉强度1 300～1 700 MPa)和韧性[8-9]；相比于Ti-17合金，WSTi544221合金中Cr元素含量相对较低，大大降低了β斑的形成几率，因此具有较优的综合性能，尤其是疲劳性能。基于上述优异性能，WSTi544221合金可加工成锻件、棒材和板材等产品，应用于航空压气机盘、弹簧和紧固件等[10]。目前公开发表的关于高强WSTi544221合金组织性能研究的文献较少，为此，研究了不同变形量与热处理制度对WSTi544221合金轧制棒材组织和力学性能的影响，以期为1 500 MPa级钛合金紧固件的发展提供基础数据。

1 实 验

实验原料为西部超导材料科技股份有限公司生产的φ50 mm的WSTi544221合金棒材，其化学成分见表1，相变点约为900 ℃。

表1WSTi544221合金的化学成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of WSTi544221 alloy

φ50 mm的WSTi544221合金棒材分别经一火次轧制为φ20、φ10、φ8 mm直条棒材，轧制变形量依次为84.0%、96.0%、97.4%。采用OLYMPUS GX-71金相显微镜分析3种不同规格WSTi544221合金棒材的加工态组织；采用Instron1251型万能实验机测试其室温力学性能。

对φ10 mm的WSTi544221合金棒材进行热处理，对比分析不同热处理制度对棒材组织性能的影响，具体热处理制度见表2。

表2WSTi544221合金棒材的热处理制度

Table 2 Heat treatment processes of WSTi544221 alloy bar

2 结果与讨论

2.1 轧制变形量对棒材组织和性能的影响

图1为φ50 mm的WSTi544221合金棒坯经一火轧制后，不同轧制变形量的加工态棒材的横、纵向显微组织。由图1可以看出，随着变形量的增大，

图1 不同轧制变形量的WSTi544221合金棒材的横、纵向显微组织 Fig.1 Microstructures of the as-rolled WSTi544221 alloy bars with different deformations：(a)φ20 mm-transversal； (b)φ20 mm-longitudinal；(c)φ10 mm-transversal；(d)φ10 mm-longitudinal;(e)φ8 mm-transversal；(f)φ8 mm-longitudinal

WSTi544221合金棒材横向组织细化程度越来越高，平均晶粒尺寸由30 μm逐渐细化为10 μm；纵向组织逐渐呈现出拉长状态，且破碎越来越充分。

对不同轧制变形量的WSTi544221合金棒材加工态的室温力学性能进行测试，结果见图2。由图2可以看出，随着热轧变形量的增加，WSTi544221合金的抗拉强度和屈服强度呈升高趋势，当变形量达到96.0%时，加工态抗拉强度达到1 400 MPa，而塑性波动不大；继续增加变形量到97.4%时，棒材强度的提高幅度不明显。

图2 不同轧制变形量的加工态WSTi544221合金棒材的力学性能Fig.2 Mechanical properties of the as-rolled WSTi544221 alloy bars with different deformations

2.2 固溶温度对棒材组织和性能的影响

图3为φ10 mm的WSTi544221合金棒材经800 ℃×1 h/WQ和870 ℃×1 h/WQ固溶处理后的显微组织。由图3可以看出，经固溶处理后棒材的组织均匀性较加工态(图1c、d)明显改善，且随着固溶温度的升高，纵向组织中的α相明显长大。

图3 不同固溶处理后WSTi544221合金棒材的横、纵向显微组织Fig.3 Microstructures of the WSTi544221 alloy bars under different solution treatments：(a)1#-transversal; (b)1#-longitudinal;(c)2#-transversal ;(d)2#-longitudinal

表3为φ10 mm的WSTi544221合金棒材经800 ℃×1 h/WQ和870 ℃×1 h/WQ固溶处理后的室温力学性能。随着固溶温度的提高，WSTi544221合金显微组织中的α相显著长大，棒材的强度明显降低，抗拉强度约降低66 MPa，屈服强度约降低100 MPa，而塑性没有明显变化。

表3经不同固溶处理后WSTi544221合金棒材的室温力学性能

Table 3 Mechanical properties of the WSTi544221 alloy bars under different solution treatments

2.3 直接时效处理对棒材组织和性能的影响

φ10 mm的WSTi544221合金棒材直接经520 ℃×6 h/AC和600 ℃×6 h/AC时效处理后的横、纵向显微组织如图4所示。在较低的时效温度下，α相(白色部分)尺寸较小且分布更为弥散。

图4 经不同温度时效处理后WSTi544221合金棒材的横、纵向显微组织Fig.4 Microstructures of the WSTi544221 alloy bars under different aging treatments：(a)3#-transversal;(b)3#-longitudinal;(c)4#-transversal;(d)4#-longitudinal

表4为φ10 mm的WSTi544221合金棒材直接经520 ℃×6 h/AC和600 ℃×6 h/AC时效处理后的室温力学性能。随着时效温度的提高，棒材的延伸率提高约2.5%，断面收缩率提高约9%，但抗拉强度较低。经520 ℃时效处理后，棒材的抗拉强度达到1 610 MPa，同时具有12%的延伸率和43%的断面收缩率，达到良好的强度-塑性匹配。

表4经不同温度时效处理后WSTi544221合金棒材的室温力学性能

Table 4 Mechanical properties of the WSTi544221 alloy bars under different aging treatments

2.4 固溶时效对棒材组织和性能的影响

图5为φ10 mm WSTi544221合金棒材按照5#～8#工艺方案，经固溶+时效处理后的横、纵向显微组织。由图5可见，在相同的固溶温度下，随着时效温度的提高，α相的尺寸变大；在相同的时效温度下，随着固溶温度的提高，初生α相的含量逐渐减少。此外，固溶后经520 ℃×6 h/AC时效处理后，WSTi544221合金棒材纵向组织更为细小，α相分布更为弥散，如图5a、b和图5e、f；在相同的时效温度下对比不同固溶温度对组织的影响，发现经870 ℃×1 h/WC固溶处理的合金棒材其α相的溶解更加充分，固溶效果更好。

图5 经不同固溶+时效处理后WSTi544221合金棒材的 横、纵向显微组织Fig.5 Microstructures of the WSTi544221 alloy bars under different solution and aging treatments: (a)5#-transversal; (b)5#-longitudinal;(c)6#-transversal; (d)6#-longitudinal; (e)7#-transversal; (f)7#-longitudinal; (g)8#-transversal ; (h)8#-longitudinal

表5为φ10 mm的WSTi544221合金棒材经不同固溶+时效处理后的室温力学性能。

表5经不同固溶+时效处理后WSTi544221合金棒材的

室温力学性能

Table 5 Mechanical properties of the WSTi544221 alloy bars under different solution and aging treatments

由表5可以看出，在相同的固溶温度下，时效温度越高，棒材的强度较低，塑性稍好；在相同的时效温度下，固溶温度越高，棒材的强度明显提高，塑性略有降低。经7#工艺处理后，棒材的抗拉强度达到1 583 MPa，屈服强度达到1 500 MPa，同时保持较好的塑性。

3 结 论

(1)随着轧制变形量的增大，WSTi544221合金棒材的组织细化程度越来越高，当变形量为97.4%时，平均晶粒尺寸达到10 μm。当变形量为96.0%，加工态棒材的抗拉强度可达到1 400 MPa，此时仍保持良好塑性。

(2)经固溶处理后，WSTi544221合金棒材的横、纵向组织等轴化明显，强度降低，塑性改善，固溶温度提高，强度进一步降低，而塑性变化不明显。

(3)轧制态棒材直接经520 ℃×6 h/AC时效处理后，抗拉强度可达1 610 MPa，屈服强度达到1 531 MPa，同时具有良好塑性，延伸率12.4%，断面收缩率为43%。

(4)经870 ℃×1 h/WC+520 ℃×6 h/AC固溶+时效热处理后，φ10 mm WSTi544221合金棒材可以获得1 583 MPa的抗拉强度，延伸率和断面收缩率保持在10%和40%以上。