固溶冷卻方式對Ti60鈦合金大規(guī)格棒材組織和力學性能的影響

引言

鈦合金具有高的比強度、良好的高溫性能、優(yōu)異的耐腐蝕性能、較好的疲勞性能，在航空航天領域得到了廣泛應用。

Ti60 鈦合金是 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si 系多元復合強化的近 α 型高溫鈦合金，它集細晶強化、固溶強化和第二相（α2 和硅化物）彌散強化于一身，具有優(yōu)良的綜合性能，主要應用于航空發(fā)動機輪盤和葉片等部位，在工作溫度下具有較高的熱強性、抗氧化性和滿意的熱穩(wěn)定性的良好匹配[1]。

羅文忠等人研究了在相變點附近固溶處理對 Ti60 合金組織及室溫、高溫拉伸性能的影響，雙態(tài)組織具有更好的強度和塑性的匹配[2]。賈蔚菊等人研究時效時間對 Ti60合金組織及性能的影響，時效時間延長，析出物數(shù)量增加，合金強度變化不大，塑性明顯降低[3]。趙成成研究了熱處理制度對 Ti60 顯微組織和性能的影響，特別是時效時間和溫度對性能的影響[4]。而固溶處理冷卻方式對力學性能的影響研究較少。本文主要研究了固溶冷卻方式對 Ti60 鈦合金顯微組織和高溫力學性能的影響。

1 、實驗材料和方法

1.1 實驗材料

鑄錠由寶雞鈦業(yè)股份有限公司真空自耗電弧爐三次熔煉而成，錠型 φ694mm，其化學成分如表 1 所示。經(jīng)測定鑄錠的 α+β/β 相轉(zhuǎn)變溫度為 1037℃。

1.2 實驗方法

鑄錠經(jīng)開坯、鍛造、機加至 Φ300 棒材，從棒材上取樣，棒材的熱鍛顯微組織如圖 1 所示，在棒材上截取樣片，分別選用不同的固溶時效制度對樣片進行熱處理，具體制度見表 2。

樣片經(jīng)固溶時效處理后，在樣片上取樣并進行顯微組織、室溫拉伸、600℃高溫拉伸、熱穩(wěn)定（600℃/100h）和蠕變（600℃/440MPa/0.5h）性能檢測，研究不同固溶冷卻方式對Ti60 合金棒材室溫、高溫（600℃）力學性能和顯微組織的影響。

2、 實驗結(jié)果與分析

2.1 固溶冷卻制度對顯微組織的影響

圖 2 為 Ti60 合金棒材經(jīng)不同固溶時效制度處理后的顯微組織?？梢钥闯鲭S著冷卻速度的增加，初生 α 的尺寸變小，初生 α 相含量減少，水冷所得組織中初生 α 相含量最低（約為 15%）、尺寸最小（約 20μm），空冷組織中初生 α相含量最高（約為 45%）、尺寸最大（約 40μm）。這是因為隨著冷卻速率增加，原子來不及擴散，初生 α 相不能夠充分 聚集長大，淬火后保留下來的缺陷相對較多，更容易發(fā)生非均勻形核，但原子擴散不充分，次生相來不及長大，所以在水冷條件下，初生 α 相為條狀或針狀，而且析出的次生α 相明顯減少，且形態(tài)細小。

2.2 固溶冷卻方式對拉伸性能的影響

2.2.1 固溶冷卻方式對拉伸性能的影響

圖 3 是經(jīng)過不同的固溶時效熱處理后，Ti60 合金棒材的室溫拉伸性能和 600℃高溫拉伸性能結(jié)果。

由圖 3 可以看出，固溶冷卻方式對拉伸強度有明顯影響，水冷后的強度在室溫、600℃下都明顯高于其它三種，油冷和風冷差距不大，空冷最低。這是因為采用較快的固溶冷卻方式（如水冷）能夠保留大量的亞穩(wěn) β 相，在后續(xù)時效過程中這些亞穩(wěn) β 相能分解析出大量細針 α，從而提高合金的抗拉強度。

2.2.2 固溶冷卻方式對熱穩(wěn)定的影響

圖 4 是經(jīng)過不同的固溶時效熱處理后，Ti60 合金棒材的熱穩(wěn)定（600℃/100h）性能結(jié)果。

由圖 4 可以看出固溶冷卻方式對熱穩(wěn)定強度的影響與對拉伸強度的影響類似，主要原因都是較快的固溶冷卻方式（如水冷）在后續(xù)的時效中能析出細小彌散的初生 α及大量的細針 α，提高了合金強度。從圖 3 和圖 4 也可以看出水冷的強度明顯高于其它三種冷卻方式，從中可以推測出水冷的冷卻速度要比其它三種冷卻方式快得多。從圖 4可以看出在水冷的塑性明顯低于其它三種冷卻方式，相關文獻表明[5]，塑性下降的程度與合金的初生 α 相含量相關，初生 α 相含量越少，塑性降低程度越大。這與本文的結(jié)果是相符合的。

2.2.3 固溶冷卻方式對蠕變性能的影響

圖 5 是經(jīng)過不同的固溶時效熱處理后，Ti60 合金棒材的蠕變（600℃/440MPa/0.5h）性能結(jié)果。

從圖 5 中可以看出，空冷的蠕變性能最差，隨著冷卻速度的增加，蠕變性能也隨之提高，相關文獻表明隨著高溫鈦合金中等軸初生 α 相含量的增加，合金的抗蠕變性能逐漸下降[6]，由于冷卻速度越快，初生 α 含量越低，因此蠕變性能提高。

3、 結(jié)論

（1）固溶冷卻速度增加，會使 Ti60 合金棒材初生 α 尺寸變小，含量降低，并使次生 α 相更加細小。

（2）固溶冷卻速度增加，能明顯提高 Ti60 合金棒材的室溫和 600℃高溫拉伸強度，但室溫拉伸塑性會明顯降低，對 600℃高溫拉伸塑性影響較小。

（3）固溶冷卻速度增加，有利于提高熱穩(wěn)定（600℃/100h）強度。而熱穩(wěn)定塑性會隨著固溶冷卻速度增加而降低。

（4）固溶冷卻速度增加，有利于提高蠕變性能。

參考文獻：

[1]魏壽庸.600℃時高溫鈦合金（Ti60）的組織和力學性能[J].中國有色金屬學報，2010，10（20）：801-806.

[2]羅文忠.固溶處理對 Ti60 合金組織及拉伸性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2010，17（12）：3967-3971.

[3]賈蔚菊.熱處理對 Ti60 合金組織及性能的影響[J].中國有色金屬學報，2010，11（11）：2136-2141.

[4]趙成成.熱處理制度對 Ti60 顯微組織和性能的影響[J].裝備制造，2013，03（3）：102-106.

[5]段銳.初生 α 相含量對近 α 鈦合金 TG6 拉伸性能和熱穩(wěn)定性的影響[J].航空材料學報，2007，06（3）：17-22.

[6]王敏敏.影響鈦合金蠕變行為的因素分析[J].稀有金屬材料與工程，2002，04（2）：135-139.