多次重复固溶时效处理对TB15钛合金组织和力学性能的影响

赵安安， 胡生双， 陈素明， 张颖云， 赵 虎， 张 颖

(中航西安飞机工业集团股份有限公司， 陕西 西安 710089)

随着航空、航天、舰船等工业的发展，对构件的比强度、耐热、耐蚀等性能要求越来越高。钛合金具有比强度高、耐热性好、耐蚀性好等特点，在航空、航天等工业领域中具有广阔的应用前景[1-3]。现代飞机对材料的要求已经从静强度判据发展到损伤容限判据，β钛合金高强高韧，因此是航空领域的热门材料[4]。一般认为，高强高韧钛合金是指拉伸强度超过1000 MPa，断裂韧度不低于55 MPa·m1/2的钛合金[5]。目前国内航空制造业使用较多的高强度钛合金主要包括TB6、TC18、TC21合金等。TB6钛合金具有比强度高、断裂韧度好、锻造温度低、淬透性好和抗应力腐蚀能力强等优点，适合制造高强度钛合金锻件[6]。TC18钛合金经适当热处理后，抗拉强度可达1080～1230 MPa，断裂韧度可达60 MPa·m1/2[7-8]。TC21钛合金的强度和塑性与TC18钛合金相当，断裂韧度可以控制在70 MPa·m1/2以上[9]。但是这些钛合金的抗拉强度普遍较低，已经难以满足未来航空结构材料的要求。TB15(Ti-6554)钛合金是近年研发的一种新型亚稳态β型高强高韧钛合金，其强韧性的匹配优于TB6及TB22钛合金[10]。TB15钛合金通过热处理在获得1300 MPa以上强度的同时，断裂韧度可达到60 MPa·m1/2。一般TB15钛合金有固溶处理和时效处理两种热处理制度，通过固溶处理获得低强度和高塑性，通过时效处理可以提高合金的强度，但塑性会下降。由于合金在热处理过程中相变的多样性[11-14]，导致在工程应用中常出现热处理后合金部分力学性能不达标的情况，合适的重复热处理可以调整合金的强度、塑性、断裂韧度等性能[11,15]，因此对TB15钛合金进行重复热处理就显得非常必要。本文研究了多次重复热处理对TB15钛合金显微组织和力学性能的影响，以充分发挥其高强高韧的优点。

1 试验材料与方法

试验材料为φ250 mm的TB15钛合金锻件，经真空自耗电弧炉3次熔炼而成。化学成分(质量分数，%)为5.4Cr、5.0Mo、5.0V、4.1Al、0.05Fe、0.02C、0.01N、0.002H、0.05O。采用线切割、车削和磨削等工序，将TB15钛合金锻件加工成直径φ5 mm、标距25 mm 的纵向拉伸试样和60 mm×62.5 mm×25 mm的紧凑拉伸断裂韧度试样。采用RX-140-12箱式电炉进行900 ℃×2 h(空冷)固溶处理，然后采用RJ2-50-7井式回火炉进行530 ℃×8 h(空冷)时效处理，并分别进行1、2和3次重复热处理，每组工艺下取3个拉伸试样和断裂韧度试样进行测试，然后分别采用AG 2501CNE试验机和MTS-SANS CMT500试验机进行室温拉伸测试和断裂韧度测试。从拉伸试样头部切取金相试样，采用CamScan3400型扫描电镜观察合金显微组织，采用Hitachi S4300型扫描电镜观察断口微观形貌。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织

TB15钛合金经多次重复固溶时效处理后的显微组织如图1所示。可以看出，随着固溶时效处理重复次数的增加，TB15钛合金的显微组织发生了较为明显的变化，次生α相合并长大，原始β晶粒晶界增厚。经过1次固溶时效处理后，次生α相在晶界处彼此间相互平行地析出，并不断向晶粒内部延伸，晶内次生α相的形貌主要以长片层状为主；晶间α相呈现随机分布状态，如图1(a)所示。2次重复固溶时效处理后，晶界附近的次生α相仍相互平行地析出，并且片层较薄，但晶内次生α相相互交织切割成短片层状，并且次生α相出现了合并长大的现象，如图1(b)所示。随着重复次数的进一步增加，次生α相的合并长大进一步加剧，原始β晶粒晶界增厚也更加明显。经过4次重复固溶时效处理后，晶界增厚达到0.5 μm(如图1(d)虚线框所示)，且厚片层次生α相明显增多(如图1(d)箭头所示)。

图1 多次重复固溶时效处理后TB15钛合金的显微组织(a)1次；(b)2次；(c)3次；(d)4次Fig.1 Microstructure of the TB15 titanium alloy after multiple repeated solution and aging treatment(a) 1 time; (b) 2 times; (c) 3 times; (d) 4 times

2.2 力学性能

TB15钛合金经多次重复固溶时效处理后的力学性能如表1所示。由表1分析可知，TB15钛合金经1次固溶时效处理后的抗拉强度为1453 MPa，伸长率为4.6%，断面收缩率为9.8%，断裂韧度为71.0 MPa·m1/2，表现出优异的综合力学性能，比目前TC18、TC21等钛合金强度和韧性都要高。经2次重复固溶时效处理后，抗拉强度、屈服强度和断裂韧度略有降低，同时，伸长率和断面收缩率急剧降低，伸长率从4.6%降低至2.2%，断面收缩率从9.8%降低至3.6%。经3次和4次重复固溶时效处理后，TB15钛合金强度继续下降，但仍能保持较高的断裂韧度，然而合金的塑性已经降至极低，4次热处理后试样伸长率仅为0.9%。

表1 多次重复固溶时效处理后TB15钛合金的室温力学性能

2.3 断口形貌

TB15钛合金经多次重复固溶时效处理后的拉伸断口形貌如图2所示。由图2(a)可以看出，TB15钛合金经1次固溶时效处理后的断口表面分布有较多的细小韧窝，解理面较少。随着重复次数的增加，断口的解理面增加，韧窝呈带状并与带状解理面交替分布，如图2(b,c)所示；经4次重复固溶时效处理后，解理面大量存在，断裂类型为脆性断裂。

图2 多次重复固溶时效处理后TB15钛合金的拉伸断口形貌(a)1次；(b)2次；(c)3次；(d)4次Fig.2 Tensile fracture morphologies of the TB15 titanium alloy after multiple repeated solution and aging treatment(a) 1 time; (b) 2 times; (c) 3 times; (d) 4 times

3 结论

1) TB15钛合金经1次固溶时效热处理后表现出优异的综合力学性能，抗拉强度达到1453 MPa，伸长率为4.6%，断面收缩率为9.8%，断裂韧度为71.0 MPa·m1/2。

2) 随着固溶时效处理重复次数的增加，TB15钛合金的强度和断裂韧度降低，伸长率和断面收缩率急剧降低。表明相同工艺参数的重复固溶时效处理不能实现在不大幅降低强度和断裂韧度的前提下改善该合金的室温塑性。

3) 随着固溶时效热处理次数的增加，TB15钛合金的室温拉伸断口韧窝逐渐减少、解理面逐渐增加，断裂类型从韧性断裂向脆性断裂转变。