固溶时效对Ti-6Cr-5V-5Mo-4Al-1Nb合金组织和力学性能的影响

刘运玺，陈 玮，李志强，周 琳，乔 虹

(中国航空制造技术研究院，北京 100024)

0 引 言

钛合金因具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能优良、高温抗蠕变性能好等优点，在航空航天领域获得了广泛应用，成为飞机及发动机的主要结构材料之一[1-3]。近年来，在轻量化、长寿命、高可靠性等设计思想的指导下，新一代飞行器迫切需要综合性能良好的轻质主承力结构件，因此，如何进一步提升航空结构件用钛合金强度、塑性、断裂韧性、抗疲劳等性能使其达到优良匹配成为亟待解决的问题之一[4-6]。结合现阶段钛合金材料的研究情况，高强高韧钛合金有望满足上述要求成为航空航天领域承力结构件的主要用材之一，可通过进一步提高其比强度与比刚度以实现更大的减重效果，从而成为业界研究的热点[7-8]。欧洲AIRBUS公司与俄罗斯VSMPO公司联合研制的新型近β钛合金Ti-55531(名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)，实现了断裂韧性与强度的良好匹配，已用于制造A380空客飞机机翼与发动机挂架的连接装置[9-10]。西北有色金属研究院基于“临界钼当量条件下的多元强化”原则，成功开发了Ti-Mo-V-Cr-Fe-Sn-Zr-Al系高强亚稳β型钛合金TB20，该合金是一种兼具强度、塑性及冲击韧性的新型钛合金[11-15]。随着国际航空工业的发展，现有高强高韧钛合金的综合性能匹配仍然不能完全满足航空航天领域越来越高的减重需求，针对更高强度级别的超高强钛合金的研制已迫在眉睫，国内有关单位也相继开展了新型超高强钛合金的研发工作[16-17]。

众所周知，钛合金的显微组织和力学性能对热机械处理工艺参数较为敏感，通过调整热处理工艺参数可实现对其组织和性能的有效调控与改善。基于此，本文以Ti-Cr-V-Mo-Al系近β型超高强钛合金Ti-6Cr-5V-5Mo-4Al-1Nb(Ti-65541)锻坯为研究对象，针对热处理工艺参数对合金组织形貌和力学性能的影响规律展开研究，以期获得该合金的最佳热处理制度并为其工程化应用奠定工艺基础。

1 实 验

采用电火花线切割技术从Ti-65541合金锻坯上切取9块尺寸为80 mm×70 mm×15 mm的块状热处理样品。基于GJB 3763A—2004《钛及钛合金热处理》，结合三因素三水平正交设计实验方法，制定表1所示热处理制度，探究固溶温度、时效温度、时效时间等热处理工艺参数对Ti-65541合金材料组织和力学性能的影响规律。其中，结合金相法所测Ti-65541合金的β转变温度(810 ℃)，选取固溶温度范围为740～780 ℃，固溶1 h后空冷至室温，再于540～620 ℃范围内时效4～8 h后空冷至室温。

表1 Ti-65541合金固溶时效处理试验方案

Table 1 Experimental schemes of solid solution and aging heat treatment for Ti-65541 alloy

按照GB/T 228.1—2010要求，利用电火花线切割技术沿坯料纵向(L向)制备拉伸试样，其尺寸如图1所示。采用ZWICK/ROELL Z100电子万能试验机进行室温拉伸性能测试。通过打磨、抛光、腐蚀等一系列步骤制备金相试样，利用Leica DMI 5000M光学显微镜进行显微组织观察与分析。采用Zeiss Supra-55扫描电子显微镜设备对室温拉伸断口的组织形貌进行表征与分析。

图1 Ti-65541合金室温拉伸试样示意图Fig.1 Schematic diagram of Ti-65541 alloy specimen for room temperature tensile test

2 结果与分析

2.1 实验结果

对经上述制度热处理后的Ti-65541合金进行室温拉伸测试，并采用基于概率统计的极差分析方法对其进行计算、处理，探究热处理过程中各工艺参数对Ti-65541合金强度、塑性的影响规律，实验结果及数据分析分别如表2和表3所示。从表3可以看出，Ti-65541合金抗拉强度、屈服强度、延伸率、断面收缩率的极差差别较大，说明本实验中固溶、时效处理工艺参数对合金强度、塑性的影响程度差别较大。此外，在影响合金抗拉强度和屈服强度的3个热处理工艺参数中，时效温度的极差最大，时效时间次之，固溶温度的极差最小，说明时效温度的变化对Ti-65541合金强度的影响最为显著，时效时间次之，固溶温度对强度的影响相对较小。而在影响Ti-65541合金延伸率和断面收缩率的3个热处理工艺参数中，时效温度的极差最大，固溶温度次之，时效时间的极差最小，表明对于Ti-65541合金的塑性而言，时效温度变化的影响最为显著，其次为固溶温度，时效时间的影响相对较小。

综合分析热处理工艺参数对Ti-65541合金强度、塑性的影响可知:时效温度对合金强度和塑性的影响最为显著，其次为固溶温度，时效时间对其影响最小。随着时效温度的升高，合金强度降低，塑性提高；随着固溶温度的提高，合金强度增加，塑性降低。尽管时效时间对Ti-65541合金性能的影响较弱，但随着时效时间的延长，合金强度、塑性总体呈略微降低趋势，说明时效时间超过6 h后，会出现过时效而导致其力学性能略有降低。综上所述，Ti-65541合金在740～760 ℃范围内固溶处理，在540～580 ℃范围内进行时效，且时效处理的时间不应过长，在4～6 h范围内为宜，有望实现较好综合力学性能。

表2经不同制度热处理后Ti-65541合金的室温拉伸性能

Table 2 The room-temperature tensile properties of Ti-65541 alloy after different heat treatments

表3经不同制度热处理后Ti-65541合金室温拉伸性能的极差分析

Table 3 The range analysis of room-temperature tensile properties of Ti-65541 alloy after different heat treatments

Influence factorsRange of A/%RA1RA2RA3Range valueRange of Z/%RZ1RZ2RZ3Range valueSolution temperature8.286.375.223.0623.7717.1814.079.70Aging temperature3.226.6510.006.787.5817.0230.4222.84Aging time5.836.977.071.2417.4320.9516.634.32

2.2 时效温度对显微组织和性能的影响

图2为Ti-65541合金在740 ℃下固溶，并于540、580、620 ℃下分别进行4、6、8 h时效处理后的显微组织照片。由图2可知，经不同温度时效处理后的Ti-65541合金显微组织主要由初生α相、次生α相及β基体组成，呈等轴状、长条状的初生α相在基体晶粒界面和内部均有分布，含量约为30%。此外，β基体上析出大量针状次生α相，且呈弥散化分布，这通常是β型钛合金经固溶时效处理后强度大幅提高的主要原因之一。

钛合金在时效处理过程中可通过改变时效温度、时效时间等工艺参数，综合调控α相的形貌、尺寸、分布与数量等特征，进而达到改善其综合力学性能的目的。本研究中随着时效温度的不断升高，初生α相数量的变化并不明显，但晶界处的α相逐渐粗化且呈现连续分布的趋势，从而对合金强度造成不利的影响。此外，弥散分布于基体的次生α相的析出数量随着时效温度的提高逐渐增加，扩散激活能增加导致其聚集粗化，使得合金的强化效果减弱，并且β基体晶粒发生长大，造成强度进一步降低，使其抗拉强度平均值由540 ℃时效时的1 394.83 MPa降低至620 ℃时效时的1 165.67 MPa。另一方面，随着时效温度的增加，次生α相因析出驱动力增加而充分形核析出，并且更加弥散化地分布在基体上，聚集粗化后针状形貌的尖角钝化，降低了变形过程中的应力集中程度，从而改善了合金的塑性，使其延伸率平均值由540 ℃时效时的3.22%增加至620 ℃时效时的10.0%。

图2 Ti-65541合金740 ℃下固溶后再经不同制度时效处理后的显微组织Fig.2 Microstructures of Ti-65541 alloy after solution at 740 ℃ and different aging treatments:(a)540 ℃×4 h；(b)580 ℃×6 h；(c)620 ℃×8 h

2.3 固溶温度对显微组织和性能的影响

图3为Ti-65541合金分别在740、760、780 ℃固溶，然后在580 ℃分别进行6、8、4 h时效处理后的显微组织。由图3可知，经不同固溶温度热处理后的Ti-65541合金的显微组织均由初生α相、次生α相及β基体组成，且呈等轴状、长条状的初生α相分布于β基体上。钛合金初生α相主要受固溶处理的影响，随着固溶温度的升高，初生α相的数量逐渐减小，即由740 ℃固溶后的30%减少至780 ℃固溶处理后的10%，其形貌也由等轴状与长条状共存于晶粒界面、内部转变为分布于晶粒内部的等轴状，且初生α相的尺寸稍有减少。

图3 Ti-65541合金不同温度固溶后再经580 ℃时效处理后的显微组织Fig.3 Microstructures of Ti-65541 alloy after solution at different temperatures and aging at 580 ℃:(a)740 ℃×1 h+580 ℃×6 h；(b)760 ℃×1 h+580 ℃×8 h；(c)780 ℃×1 h+580 ℃×4 h

通常情况下，可通过改变固溶温度来调节初生α相的固溶程度，进而影响次生α相的析出情况并对合金的力学性能产生至关重要的调控作用。随着固溶温度的增加，初生α相大量回溶到基体使得次生α相的析出驱动力增加而大量形核析出，通过与位错的交互作用使得合金强化，抗拉强度平均值由740 ℃固溶时的1 269.33 MPa提升至780 ℃固溶时的1 307.17 MPa，即合金强度随着固溶温度的提高而增加。此外，随着固溶温度的提高，初生α相回溶增加导致针状次生α相的数量增加，易于在针状尖角处产生应力集中从而使得合金塑性降低，其延伸率平均值由740 ℃固溶时的8.28%降低至780 ℃固溶时的5.22%(见表3)，即合金塑性随着固溶温度的提高而呈降低趋势。综上所述，Ti-65541合金在近β相区较高温度固溶并在580 ℃时效处理时，随着固溶温度提高，合金强度提高，塑性下降。

2.4 拉伸断口形貌分析

为了进一步明确上述热处理制度对合金组织和力学性能的影响规律，对经历不同固溶、时效温度的Ti-65541合金室温拉伸试样进行断口形貌分析，如图4所示。对比图4a、d与图4b、e可知:在相同固溶温度(740 ℃)下，经540 ℃×4 h时效处理后合金的室温拉伸断口宏观形貌以放射区为主，无明显的剪切唇与纤维区存在，微观形貌的韧窝尺寸较小，且相对较浅，说明其塑韧性较差；经620 ℃×8 h时效处理后，Ti-65541合金的室温拉伸断口宏观形貌以放射区与剪切唇为主，无明显的纤维区存在，其微观形貌的韧窝尺寸大而深，且表面存在较大起伏，说明其塑韧性较好。上述分析结果与拉伸实验结果一致，即随时效温度的增加，合金的塑性增加。

图4 Ti-65541合金在不同热处理条件下的室温拉伸断口形貌Fig.4 Room temperature tensile fracture morphologies of Ti-65541 alloy under different heat treatment conditions:(a，d)solid solution at 740 ℃ and aging at 540 ℃；(b，e)solid solution at 740 ℃ and aging at 620 ℃；(c，f)solid solution at 760 ℃ and aging at 540 ℃

对比图4a、d与图4c、f可知:在相同时效温度(540 ℃)下，分别经740、760 ℃固溶处理后合金的室温拉伸断口形貌均以放射区为主，均无明显的剪切唇与纤维区存在；经760 ℃固溶后其表面起伏更平缓，微观形貌的韧窝深度稍有降低，说明合金塑性随着固溶温度的增加稍有降低但变化不大，这亦与拉伸实验结果一致。

3 结 论

(1)时效温度对Ti-65541合金强度、塑性的影响最为显著，其次为固溶温度，时效时间的影响最小。

(2)随着时效温度的升高，Ti-65541合金的抗拉强度和屈服强度降低，塑性提高；随着固溶温度的增加，合金强度提高，塑性降低；随着时效时间的延长，合金强度和塑性总体呈降低趋势。

(3)为了获得较好的综合性能，Ti-65541合金宜在740～760 ℃范围内固溶处理，在540～580 ℃范围内进行时效，时效处理的时间不应过长，在4～6 h范围内为宜。