Ti-6Al-4V合金厚板固溶时效热处理工艺的正交试验优化

李 笑, 李 剑

(宝鸡钛业股份有限公司, 宝鸡 721014)

Ti-6Al-4V合金是一种典型的α+β型两相钛合金，具有优异的综合性能，广泛应用于航空、航天、舰船、兵器、化工、医疗等领域[1-2]。在航空、航天工业中，Ti-6Al-4V合金板材是成熟应用于飞机和发动机的主要结构材料之一，可以减轻质量、优化结构、降低飞行成本，因此已逐渐替代钢、镍基合金成为某些大型结构件的材料。Ti-6Al-4V合金厚板通常在普通退火状态下使用，随着材料加工技术的发展和为满足结构件成型使用的要求，美国SAE AMS 4904C：2015TitaniumAlloySheet,Strip,andPlate6Al-4VSolutionHeatTreatedandAged中规定了Ti-6Al-4V合金厚板须固溶时效热处理后交付，并对板材力学性能提出了更高的要求[3]。

通过对热处理参数选择过程中引入正交试验，从多因素、多水平入手，挑出部分有代表性的影响因素进行试验，根据试验因素、因素水平及是否有交互等需求查找相应的正交点，挑选有代表性的影响因素进行试验即可实现以最少的试验次数达到全面试验的效果[4]。为找出Ti-6Al-4V合金厚板最佳固溶时效参数、降低检验成本,笔者确定了固溶温度、冷却方式、时效温度、时效时间4个因素，采用L16(44)正交表4因素、4水平的16组热处理工艺进行试验，以力学性能作为考核指标得到最佳的热处理参数，为Ti-6Al-4V合金厚板整体热处理工艺的确定提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为经3次真空自耗电弧炉熔炼制备的Ti-6Al-4V合金铸锭,规格为φ720 mm，铸锭经β相锻造开坯和α+β两相区锻造，得到厚度δ为250 mm的板坯，然后在两相区轧制成厚度δ为35 mm的板材，其化学成分中铝元素的含量为6.46%～6.50%(质量分数，下同)，钒元素含量为4.19%～4.22%，铁元素含量为0.17%～0.19%，氧元素含量为0.16%～0.18%，氢元素含量为0.003%，其余为钛元素，相变点为1 000～1 010 ℃。板材的显微组织由等轴和拉长的α相及部分β相转变组织组成，无完整的原始β相晶界，其显微组织形貌如图1所示。

图1 Ti-6Al-4V合金厚板的显微组织形貌Fig.1 Microstructure morphology of Ti-6Al-4V alloy thick plate

1.2 试验方法

采用L16(44)正交试验研究固溶温度、冷却方式、时效温度、时效时间等4个因素对Ti-6Al-4V合金热轧厚板强度和塑性的影响。试验因素及水平如表1所示，其中因素水平用1，2，3，4表示，因素用A，B，C，D表示；正交试验方案如表2所示，其中AC为空冷，WC为水冷。

表1 正交试验因素及水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3 力学性能测试

在δ35 mm厚板上截取块状试样，按照SAE AMS 4904C:2015的技术要求，将热处理后的试样加工成满足ASTM E8/E8M-2015StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials要求的规格为φ12.5 mm的标准试样，在电子万能拉伸试验机上进行室温拉伸性能测试，其纵、横向室温拉伸性能应满足SAE AMS 4904C:2015规定的抗拉强度Rm不小于1 000 MPa、屈服强度Rp0.2不小于931 MPa、断后伸长率A不小于10%、断面收缩率Z不小于25%的要求。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

各试验因素对Ti-6Al-4V合金热轧厚板横、纵向室温拉伸强度和塑性的影响如表3所示。

根据正交试验原理，极差越大表明该因素对试验结果的影响越大。由表3分析可知，在试验条件范围内，各因素对板材横、纵向室温拉伸强度影响从大到小的顺序均为冷却方式、时效温度、时效时间、固溶温度，冷却方式和时效温度的影响较大，固溶温度和时效时间的影响较小；各因素下板材横、纵向室温塑性指标的极差很小，说明在该试验条件下4个因素对板材的塑性指标基本没有影响。

表2 正交试验方案Tab.2 Scheme of orthogonal test

表3 试验因素对横、纵向室温强度和塑性的影响Tab.3 Effect of test factors on transverse and longitudinal room temperature strength and plastic

对比表3中的极差可知，固溶时效热处理的冷却方式对板材室温拉伸性能的影响最大。随着冷却速率的增大，板材的横、纵向抗拉强度和屈服强度都大幅度提高，横向的抗拉强度和屈服强度分别提高了101 MPa和88 MPa，纵向的抗拉强度和屈服强度分别提高了59 MPa和56 MPa，横、纵向断后伸长率降低0.8%～2%，但断面收缩率却提高了3%～4%。时效温度对板材室温拉伸性能的影响次之。随着时效温度的升高，板材横、纵向抗拉强度均呈下降趋势，断后伸长率基本保持不变，而屈服强度和断面收缩率呈先略微上升后基本保持不变的趋势，并在时效温度为550 ℃左右达到最大值。固溶温度和时效时间对板材室温拉伸性能的影响很小，不同参数下的力学性能数据基本一致。

2.2 各因素对力学性能的影响原因分析

合金厚板试样经固溶空冷+时效处理后的显微组织形貌如图2所示，经固溶水冷+时效处理后的显微组织形貌如图3所示。根据图2和图3可知，其显微组织为典型的双相组织，由初生α相+部分β相转变组织组成，随着固溶温度的升高，初生α相逐渐趋于等轴化，β相转变组织中的次生α相从球状或短棒状逐渐变为细小针状，且初生α相的面积分数降低，从40%降低到30%左右。

2.3 工艺参数的优化分析

SAE AMS 4904C:2015中对板厚为25.4～50.8 mm的固溶时效处理后板材的力学性能的要求为：Rm≥1 000 MPa，Rp0.2≥931 MPa，A≥6%，根据表3可知，固溶处理的冷却方式对板材室温拉伸性能的影响最大，采用固溶空冷后经时效处理的试样，其横、纵向抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率均能满足标准的要求，但屈服强度不能满足标准的要求；采用固溶水冷后经时效处理的试样，在该试验条件下任一固溶温度、时效温度、时效时间的热处理条件组合下，其横、纵向抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率等均能满足标准的要求，且都有较大富余量。因此固溶后冷却方式确定为水冷。

图2 不同固溶空冷+时效工艺处理后板材的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of the plate treated by different solution air cooling and aging processes

时效温度对板材室温拉伸性能的影响次之，采用水冷时，任一固溶温度、时效温度、时效时间的热处理条件组合，其横、纵向抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率均能满足标准的要求，但对比来看，时效温度为550 ℃左右时合金厚板的综合性能最好，因此时效温度确定为550 ℃。

固溶温度和时效时间对板材室温拉伸性能的影响很小，采用水冷的条件下不同固溶温度和时效时间的热处理条件组合，其横、纵向抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率均能满足标准的要求，且数值波动较小。因此，固溶温度确定为900～960 ℃，时效时间确定为4～6 h。

3 结论

(1) 在试验条件范围内，各因素对板材横、纵向室温拉伸强度的影响从大到小的顺序为冷却方式、时效温度、时效时间、固溶温度，对板材横、纵向室温塑性基本没有影响。

(2) 固溶时效的冷却方式对板材室温拉伸性能的影响最大，随着冷却速率的增大，板材的横、纵向抗拉强度和屈服强度都大幅度提高，断后伸长率和断面收缩率的波动较小。

(3) 时效温度对板材室温拉伸性能的影响次之，随着时效温度的升高，板材横、纵向抗拉强度均呈下降趋势，断后伸长率基本保持不变，而屈服强度和断面收缩率呈先上升后下降趋势，并在时效温度为550 ℃左右达到最大值。

(4) 在该试验条件下，Ti-6Al-4V合金热轧厚板最优的固溶时效热处理工艺为900～960 ℃/1.5 h，WC+550 ℃/4～6 h，AC。

图3 不同固溶水冷+时效工艺处理后板材的显微组织形貌Fig.3 Microstructure morphology of the plate treated by different solution water cooling and aging processes