热处理制度对Ti-55531合金组织和力学性能的影响

王清瑞，沙爱学，黄利军，李兴无

(北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引 言

航空工业的发展对结构钛合金的综合性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有高强度、高韧性和高淬透性，还要求具有较高的塑性和疲劳性能。国内外研究人员都在致力于开发综合性能优异的钛合金，其中BT22(对应国内牌号TC18)钛合金因其最大淬透截面厚度可达250 mm而在制造大型飞机承力结构件方面极具优势[1-3]，是一种很有发展前景的高强度钛合金。21世纪初，欧美许多国家开始对该合金的成分设计和性能水平展开研究[4-7]，并在该合金基础上进一步开展改进型合金研究，最具代表性的是空客公司与俄罗斯VSMPO公司联合研制的Ti-55531合金，其名义成分为Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.4Fe-1Zr。该合金强度与韧性之间的优良组合受到设计师和钛合金工作者的青睐，并于2004年首次在A380平台上闪亮登场，被选用于制作A380机翼与挂架的连接装置[8-10]。由于钛合金对热机械处理工艺参数比较敏感，不同的处理工艺获得的组织和性能差别很大，因此设计人员在进行选材时要根据使用部位所受载荷特点而选用不同组织状态和性能水平的材料。本研究针对Ti-55531合金不同类型的热处理制度开展了研究，分析热处理制度对该合金组织与性能的影响，旨在为其工程化应用提供技术支持。

1 实 验

选用某飞机零件模锻件(外形尺寸为300 mm×140 mm×70 mm)作为本次工艺试验件。该模锻件经过 + 锻造获得双态组织，然后对该模锻件开展固溶加时效和β退火两种热处理工艺试验。在固溶加时效处理时，固溶温度为Tβ-50 ℃(Tβ=852 ℃)，时效温度分别为600、620、630、640 ℃，具体工艺参数如表1中实验方案(1)～(4)所示。在β退火处理时，加热温度为Tβ+30 ℃，随后分别炉冷至580、600、620、650 ℃保温8 h后空冷，具体工艺参数见表1中实验方案(5)～(8)。在Instron-4507万能试验机上测定拉伸性能，试样d0=5 mm；采用紧凑拉伸试样(20 mm×48 mm×50 mm)在MIS810-500KN试验机上测定断裂韧性KIC。力学性能测试试样每组3个，实验结果取其平均值。采用JSM-5800型扫描电镜进行微观组织分析。

表1 Ti-55531合金热处理方案Table 1 Heat treatment scheme of Ti-55531 alloy

2 结果与分析

2.1 力学性能

2.1.1 固溶加时效热处理

图1为固溶处理后以不同温度时效的Ti-55531合金的室温力学性能。由图1可见，合金的抗拉强度(T向)随着时效温度的升高而显著降低，当时效温度从600 ℃增加到640 ℃时，抗拉强度由1 381 MPa降低到1 274 MPa，表明合金强度对时效温度比较敏感；合金延伸率的变化并不明显，基本维持在11.0%左右；断面收缩率在600 ℃到620 ℃区间变化比较缓和，在620 ℃以上随时效温度升高增加明显。从图1还可以看到，Ti-55531合金具有较高的力学性能水平，抗拉强度在1 270 MPa以上，延伸率A5≥10%，而断面收缩率Z≥33%。

图1 不同时效温度下Ti-55531合金的室温力学性能Fig.1 Mechanical properties of Ti-55531 alloy at different aging temperatures

2.1.2 退火热处理

图2为不同温度β退火后Ti-55531合金的室温力学性能。由图2可见，合金的抗拉强度(T向)随退火温度升高而显著降低，从580 ℃的1 212 MPa降低到650 ℃的1 116 MPa，在600～650 ℃抗拉强度与退火温度呈线性关系，退火温度升高10 ℃，抗拉强度降低约18.5 MPa，说明在该温度范围可根据需要很方便地调整强度级别。延伸率和断面收缩率随退火温度升高变化不太明显，A5变化范围为11.1%～14.3%，Z变化范围为25.7%～29.6%。

图2 不同β退火温度下Ti-55531合金的室温力学性能Fig.2 Mechanical properties of Ti-55531 alloy at different β annealing temperatures

2.1.3 两种热处理制度性能对比

在进行飞机的选材时，不仅要根据零件的受力状况选择不同的强度级别，还要根据损伤容限设计原则，选择合适的断裂韧度KIC，但强度与断裂韧度往往是一对矛盾体，要获得高的强度往往需要牺牲一定的断裂韧度，反之亦然。图3是经过方案(1)和方案(5)两种热处理制度处理后Ti-55531合金抗拉强度Rm和断裂韧度KIC对比图。

图3 两种热处理制度下Ti-55531合金的性能对比Fig.3 Mechanical properties comparison after two different heat treatments

由图3可见，相比β退火热处理，采用固溶加时效热处理可以获得更高的强度级别，达到1 381 MPa。但采用固溶加时效热处理时合金的断裂韧度仅为35.49 MPa·m1/2，远远低于采用β退火热处理的断裂韧度69.60 MPa·m1/2。在进行飞机的选材时可以根据零件使用的受力状况选择不同类型的热处理制度，当所用零件需要承受较大的载荷时可选用固溶加时效热处理；当需要较高的韧性时可选用β退火热处理。从图3还可见，采用β退火热处理时，断裂韧度69.60 MPa·m1/2对应的强度为1 212 MPa，具有较高的强度水平。通过前期研究[11]分析发现，强度每降低10 MPa，断裂韧度可提高约1.8 MPa·m1/2。由图2强度随退火温度变化趋势，还可以很方便地通过调节β退火温度来适当降低强度级别，从而进一步提高断裂韧度水平。经不同的热处理制度处理后合金表现出较大的性能差异主要是因为合金的性能水平是由其微观组织类型所决定。

2.2 显微组织

图4为Ti-55531合金在两种不同热处理制度下的显微组织照片。由图4a和b可见，Ti-55531合金经过固溶加时效热处理，在β基体上分布着大量初生α相(αp)，有的呈等轴状，有的被拉长呈条状，约占基体的35%左右；将显微组织倍数放大到5 000倍，可以看到在β基体上弥散分布着大量的次生α相，这是Ti-55531合金在固溶加时效处理时能够取得较高强度的主要原因。根据前期研究工作的结果，在进行固溶加时效处理时，合金的强度主要取决于时效温度。随着时效温度升高，β相中的次生α相明显粗化，导致强化效果减弱，正如图1中性能变化趋势所示。由图4c和d可见，经β退火处理后可获得均匀细密的片状组织，但α片比较平直，所以塑性相对较低。这种组织可以获得较高的断裂韧度，这是由于片状初生α相可以最大程度地改变裂纹扩展路径，使裂纹扩展时消耗的能量大大增加。β退火处理的最大优点是组织均匀、工艺简单，缺点是性能受冷却速度的影响较大，冷却速度越慢强度越低。生产中必须严格控制冷却速度。

图4 两种热处理制度下Ti-55531合金的显微组织Fig.4 Microstructures of Ti-55531 alloy after two different heat treatments

3 结 论

(1)Ti-55531合金经过固溶加时效处理可以获得较高的强度水平，强度随着时效温度升高而显著降低，延伸率随时效温度升高变化不明显，断面收缩率在620 ℃以上随着时效温度升高增加明显。

(2)Ti-55531合金强度随β退火温度升高而显著降低，在600～650 ℃强度与退火温度呈线性关系，延伸率和断面收缩率随退火温度升高变化不大。

(3)Ti-55531合金固溶加时效处理获得初生α相呈长条或等轴状组织， 基体上大量析出的次生α相使其获得较高的强度；β退火后可处理获得均匀的片状组织，合金具有较高的断裂韧性。

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