時(shí)效溫度梯度變化對(duì)Ti-65541高強(qiáng)β鈦合金拉伸強(qiáng)塑性與斷裂韌性的調(diào)控規(guī)律研究：分析520-540℃區(qū)間內(nèi)合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨溫度升高衰減規(guī)律及塑性同步提升機(jī)制，明確合金強(qiáng)度對(duì)低溫區(qū)間時(shí)效溫度的敏感性特征

鈦合金在航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，是飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一[1-3]。Ti65541鈦合金(Ti-6Al-5V-5Mo-4Cr-1Nb)是一種新型的亞穩(wěn)態(tài)β型鈦合金，具備優(yōu)良的力學(xué)性能和可加工性，主要用于飛機(jī)起落架、鉚釘?shù)瘸辛Y(jié)構(gòu)件的制造[4-6]。

固溶時(shí)效處理是亞穩(wěn)β鈦合金的主要強(qiáng)化手段[7-9]。亞穩(wěn)β鈦合金構(gòu)件經(jīng)加工成形后往往需要經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理獲得最終的高強(qiáng)韌性能[10-13]。固溶時(shí)效工藝參數(shù)主要包括固溶與時(shí)效溫度、保溫時(shí)間、冷卻速率等，對(duì)亞穩(wěn)β鈦合金組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能具有重要影響。劉運(yùn)璽等[14]研究了固溶時(shí)效對(duì)Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr亞穩(wěn)β鈦合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)固溶時(shí)效處理后顯微組織由初生α相和彌散分布著大量次生α相的β轉(zhuǎn)變組織組成。趙倩等[15]對(duì)固溶時(shí)效處理Ti-5Al-3.5Fe-7Mo-4Cr合金組織和拉伸性能開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)820℃0.5h固溶和440℃8h時(shí)效的鈦合金達(dá)到良好的強(qiáng)-塑性匹配，抗拉強(qiáng)度為1257MPa,屈服強(qiáng)度為1135MPa，伸長(zhǎng)率為4%，較高強(qiáng)度主要源于第二相強(qiáng)化，次生α相間距較小、α相體積分?jǐn)?shù)增加和分層次尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)合金起到顯著的強(qiáng)化效果。郭彥霖[16]等研究了固溶后雙時(shí)效處理對(duì) Ti-4Al-5Mo-6Cr-5V-1Nb合金組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)合金經(jīng)300℃×8 h+500℃×8 h雙時(shí)效處理后峰值硬度(HV)為4580 MPa，抗拉強(qiáng)度為1462 MPa以及伸長(zhǎng)率為3.4%。Ti-65541鈦合金作為一種新型的高強(qiáng)韌亞穩(wěn)β鈦合金，目前對(duì)其研究主要集中在高溫變形行為、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等方面[5,17]，關(guān)于該合金固溶時(shí)效組織和性能方面的研究仍然偏少。

因此，本研究對(duì)Ti-65541鈦合金進(jìn)行了不同溫度的時(shí)效處理，并對(duì)固溶時(shí)效后合金微觀組織、室溫拉伸性能及斷裂韌度進(jìn)行了測(cè)試和分析，研究了固溶時(shí)效處理對(duì)合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，這對(duì)推動(dòng)該合金工程化應(yīng)用具有重要的意義。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為經(jīng)兩相區(qū)鐓拔鍛造的Ti-65541鈦合金。采用線切割從同一鍛件上切取尺寸為 80 mm×120 mm×150 mm的試塊。先對(duì)試塊進(jìn)行同爐870℃保溫2h后空冷的固溶處理，再分別進(jìn)行520、530和540℃保溫4h后空冷的時(shí)效處理，具體固溶時(shí)效工藝參數(shù)見(jiàn)表1。固溶時(shí)效后沿著平行于試塊長(zhǎng)度方向，經(jīng)線切割、精加工、磨削等工序制備有效工作直徑為5mm、標(biāo)距為25mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，及制備L-T向有效厚度為25mm的緊湊拉伸(CT)斷裂韌度試樣。每組固溶時(shí)效工藝取3個(gè)試樣進(jìn)行室溫拉伸性能和斷裂韌度測(cè)試和分析，室溫拉伸測(cè)試在AG250CNE試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，斷裂韌性在QBG-150試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用CamScan3400型掃描電鏡觀察和分析鈦合金顯微組織和斷口形貌。

表1　固溶時(shí)效工藝參數(shù)

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　固溶時(shí)效對(duì)合金微觀組織的影響

圖1為T(mén)i-65541鈦合金經(jīng)870℃2h固溶不同溫度時(shí)效4h后的微觀組織。可以看出，合金時(shí)效后原始β晶界仍清晰可見(jiàn)，呈現(xiàn)出平直的三角晶界的特征。β晶粒內(nèi)部由片層狀的次生α相組成，次生α相的微觀形貌相似，均為細(xì)小片層狀，且具有較大長(zhǎng)厚比。次生α片層之間呈現(xiàn)60°、90°等特定角度交錯(cuò)，遵Burgers取向關(guān)系。此外，時(shí)效溫度對(duì)合金次生α片層特征會(huì)產(chǎn)生一定影響。隨時(shí)效溫度升高，合金次生α片層厚度和α次生相含量均有所增加，這是由于合金次生α片層是在原始β相中形核和生長(zhǎng)，在較高溫度時(shí)效，會(huì)促進(jìn)次生α片層生長(zhǎng)和析出，故次生α片層厚度和α次生相含量增加。不同溫度時(shí)效后出現(xiàn)的次生α片層特征差異必然會(huì)對(duì)合金力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

2.2　固溶時(shí)效對(duì)合金室溫拉伸性能的影響

對(duì)870℃2h固溶再經(jīng)不同溫度時(shí)效4h后合金進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，并根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制時(shí)效溫度與強(qiáng)度和塑性的關(guān)系曲線，分別見(jiàn)圖2和圖3。從表2、圖2及圖3可以看出，隨時(shí)效溫度升高，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率升高。如時(shí)效溫度為520℃時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1339 MPa和1274MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別為7.9%和12.1%;時(shí)效溫度為530℃時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降至分別為1310MPa和1249MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率升高至分別為9.1%和13.2%;升高時(shí)效溫度至540℃時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降至1292MPa和1233MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別增至9.7%和14.2%。時(shí)效溫度對(duì)拉伸性能影響與組織觀察結(jié)果是相一致的。隨時(shí)效溫度升高，次生α片層厚度和α次生相含量增加，細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱，且β相固溶強(qiáng)化效果減弱，故拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率增加。從表2、圖2及圖3還可看出，合金強(qiáng)度在520~530℃區(qū)間時(shí)較為敏感，時(shí)效溫度提高10℃，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別下降了29 MPa和25MPa，而在530~540℃區(qū)間時(shí)效溫度提高10℃，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別下降了18MPa和16MPa。

表2　Ti-65541鈦合金經(jīng)固溶時(shí)效后的室溫拉伸性能

進(jìn)一步對(duì)合金拉伸斷口進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。可以看出，不同時(shí)效溫度下拉伸斷口形貌均由纖維區(qū)、輻射區(qū)及剪切唇區(qū)組成。在纖維區(qū)、輻射區(qū)均可觀察到大量小刻面和韌窩，說(shuō)明合金斷裂機(jī)制為解理斷裂與韌性斷裂的混合斷裂機(jī)制。對(duì)比不同時(shí)效溫度下的纖維區(qū)和輻射區(qū)大小(見(jiàn)圖4a~圖4c)，輻射區(qū)寬度從大到小順序?yàn)?20℃>530℃>540℃，這也一定程度上反映了塑性大小順序?yàn)?40℃>530℃>520℃，與拉伸數(shù)據(jù)結(jié)果是相一致的。此外，盡管不同時(shí)效溫度下拉伸斷口均存在大量韌窩，但540℃時(shí)效后斷口韌窩明顯比520℃時(shí)效后韌窩更加均勻、致密，說(shuō)明540℃比520℃時(shí)效后的塑性更好。

2.3　固溶時(shí)效對(duì)合金斷裂韌度的影響

對(duì)870℃2h固溶再經(jīng)不同溫度時(shí)效4h后合金進(jìn)行斷裂韌度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制時(shí)效溫度與斷裂韌度的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。從表3和圖5可以看出，當(dāng)時(shí)效溫度為520℃時(shí)，該鈦合金的斷裂韌度為66.7 MPa·m1/2，升高時(shí)效溫度至530℃時(shí)，斷裂韌度為66.8 MPa·m1/2，僅提高了0.1 MPa·m1/2，與520℃時(shí)效時(shí)基本一致;繼續(xù)升高時(shí)效溫度至540℃時(shí)，斷裂韌度為72.2MPa·m1/2，與520℃時(shí)相比增加了8.1%。對(duì)斷裂韌度斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果見(jiàn)圖6~圖8。可以看出，不同溫度時(shí)效后合金裂紋源均位于加工缺口，且存在明顯的河流花樣和撕裂紋。擴(kuò)展區(qū)則呈現(xiàn)出臺(tái)階狀或羽舌狀的解理斷口形貌特征。在瞬斷區(qū)都呈現(xiàn)明顯的韌窩和解理面共存特征。

表3　Ti-65541鈦合金不同時(shí)效熱處理后的斷裂韌度(MPa·m^1/2)

3、結(jié)論

(1)Ti-65541鈦合金870℃2h+(520~540℃)4h固溶時(shí)效后原始β晶界清晰可見(jiàn)，合金組織由原始β晶粒內(nèi)部分布著細(xì)小片層狀次生α相組成;

(2)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨時(shí)效溫度升高而降低，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率隨時(shí)效溫度升高而增加;

(3)Ti-65541鈦合金強(qiáng)度在520℃~530℃區(qū)間時(shí)效時(shí)較為敏感，斷裂機(jī)制為解理斷裂與韌性斷裂的混合斷裂機(jī)制;

(4)斷裂韌度在520℃~530℃區(qū)間時(shí)效時(shí)基本增加緩慢，但在540℃時(shí)效時(shí)顯著增加;

(5)從獲得良好綜合力學(xué)性能考慮，Ti-65541鈦合金應(yīng)選取870℃2h固溶+540℃4h時(shí)效為宜，此時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別可達(dá)1292MPa和1233MPa，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率分別可達(dá)9.7%和14.2%，斷裂韌度可達(dá)72.2 MPa·m1/2。

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（注，原文標(biāo)題：時(shí)效溫度對(duì)Ti-65541鈦合金力學(xué)性能和顯微組織的影響_胡生雙）