固溶转移时间对TC4钛合金强度的影响研究

樊开伦 刘文成 刘勇德 裴烈勇 戴爱丽

摘 要：合金主要在退火状态下使用，也可以采用固溶时效处理进行一定的强化。固溶时效工艺参数的选取对强化效果的影响非常重要，其中固溶转移时间长短直接影响固溶效果的好坏，从而影响时效沉淀强化效果。因此，本文通过6组试验，研究几种不同的固溶转移时间对合金强度的影响。

关键词：固溶转移;TC4钛合金;强度

中图分类号：TG166 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0079-01

TC4合金是一种中等强度的α+β型两相钛合金，含有6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V。是我国为仿制美系航空器而试制的两相钛合金，相当于美系钛合金牌号Ti-6Al-4V。该合金具有优异的综合性能，在航空和航天工业中获得了最广泛的应用。合金长时间工作温度可达400℃，在航空工业中主要用于制造发动机的风扇、螺栓、压气机盘及叶片以及飞机结构中的梁、接头和隔壁框等重要承力构件[1-2]。TC4钛合金的主要半成品是棒材、锻件、厚板、薄板、型材和丝材等。

1试验

本试验原材料为真空自耗电弧炉炼生产的TC4钛合金棒材，规格为φ8.5mm、执行标准GJB2219-94。合金化学成分见表1，等同于美系材料Ti-6Al-4V。

试验使用的设备有马弗炉、真空回火炉、数控车床、滚丝机、拉伸试验机。所有试验TC4棒料进行表面涂覆保护，固溶采用马弗炉加热，固溶参数955℃×1.5h，固溶结束后转移至流动水中进行淬火，固溶转移时间见表2。所有试验时效采用真空回火炉同炉进行时效，时效参数540℃×4h，时效结束后充气冷却。试验结束后各组材料均制造成标准拉伸试样进行拉伸试验检测，拉伸试样见图1。

2试验结果与分析

（1）试验结果：不同固溶转移时间下TC4拉伸试验数据平均值见表3，各组试验数据平均值变化曲线见图2。结果表明，随着固溶转移时间的延迟，合金强度逐渐降低，塑性略有升高。

（2）分析讨论。TC4合金中铝是基本元素，可以保证合金在常温及高温下的性能。钒作为β同晶型元素，赋予了TC4合金热处理强化的能力。因此，TC4钛合金在两相区淬火+时效后其强度有明显提升。GJB2219-94中规定TC4经固溶（955℃±15℃，1h～2h，流水中冷却）+时效（540℃±8℃，4h～8h，空冷）其性能可达σb≥1100MPa、σ0.2≥1000MPa、δ≥10、Ψ≥20。然而在实际生产中，由于设备等原因导致按标准制度热处理后其强度指标常不合格。我们都知道，材料的化学成分决定材料的组织，材料的组织决定材料的性能。热处理就是为了改变材料内部组织提升材料使用性能的热加工工艺。根据TC4有关研究资料，TC4合金淬火转移速度对强度的影响是主要的。TC4固溶后β馬氏体转变组织α′相含量越高，时效后合金强度就越高。如图3所示，一方面，随着淬火时间的延长，从β相中析出了二次α相，使得β相饱和度降低，淬火转变组织α′马氏体含量减少，基体中的α相含量增多，导致时效后合金强度降低，塑性升高;另一方面，马氏体转变点Ms随着淬火时间的延长而降低，引起β转变不完全程度增加，导致β淬火转变组织α′马氏体的量减少，最终导致时效后合金强度降低、塑性提高。总之，随着固溶转移时间的延长，实际固溶温度与名义固溶温度的差值越大，这不仅会有二次α相的不断析出，而且β相的马氏体转变程度越不完全，最终导致时效后强度降低，塑性提高。因此，固溶转移时间的长短决定了TC4合金固溶效果的好坏，从而决定了时效后TC4强度的高低。

3结语

通过六组不同固溶转移时间对比试验，得出TC4合金的强度随固溶转移时间的延长而降低，塑性随固溶转移时间的延长而升高。保证TC4合金强度指标的关键因素在于控制好固溶转移时间，越短越好。对于强度等级σb≥1100MPa的TC4钛合金，建议固溶转移时间不超过3s。

参考文献

[1] 《工程材料实用手册》编辑委员会.钛合金 铜合金-工程材料实用手册第2版[M].北京：中国标准出版社，2002.

[2] 张翥，王群骄，莫畏.钛的金属学和热处理[M].北京：冶金工业出版社，2009.