热处理工艺对Ti55531钛合金显微组织与拉伸性能的影响

黄剑锋，雍岐龙，孙新军，李昭东（1.昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650093；.钢铁研究总院工程用钢所，北京 100081）

0 引 言

钛及钛合金因比强度高、耐腐蚀性强、耐高温等一系列优点，而广泛应用于现代飞机的发动机及机载设备［1－2］。近β型钛合金可以通过弥散强化获得很高的强度，其比强度在钛合金中处于较高水平；此外该合金还具有良好的冷热成型性、淬透性等优点，在航空工业中具有重要应用价值［3－4］。传统的高强高韧钛合金主要有美国研制的近β型钛合金Ti－1023和俄罗斯研制的BT22等，而当前广泛用于大型民航客机的高强度钛合金Ti-1023由于冶炼困难、加工成本较高等原因，将逐渐被新一代高强高韧钛合金（例如 Timetal556，Ti55531合金）取代［5－8］。Ti55531钛合金是俄罗斯在BT22合金基础上与法国空客公司联合开发的一种新型高强高韧近β钛合金，具有较好的强韧性匹配［7－9］。该合金兼有α＋β钛合金和β型钛合金的特点，在退火状态下的抗拉强度可达1 080MPa。采用固溶时效热处理后，其抗拉强度可超过 1 500MPa。与 Ti-1023合金相比，该合金拥有良好的淬透性和较宽的热加工工艺范围，不易产生成分偏析，且具有更高的强度和断裂韧性，现已成功应用在空客A380飞机的机翼和发动机挂架之间的连接装置［10］。

近β型钛合金的强化方式主要依赖高温区固溶形成亚稳相（β），然后在中温区保温使亚稳相时效分解，析出细小弥散的第二相质点产生弥散强化［11－14］。有研究表明［11－12］，这种合金组织中只要保留很少量的初生等轴αp相，就能保持较好的塑性，避免了"β脆"（材料的塑性和韧性明显降低）现象的发生，明显改善合金的综合性能。

目前，国内外报道Ti55531钛合金热处理工艺特别是时效工艺的研究较少。为了给国内外钛合金的使用提供参考，作者通过制定不同的热处理工艺，系统研究了固溶温度、时效温度、时效时间对Ti55531钛合金显微组织和拉伸性能的影响。

1 试样制备与试验方法

试验材料为宝钢特钢有限公司提供的Ti55531钛合金锻造棒材（φ150mm），合金的化学成分如表1所示，该合金的β相转变温度为840℃。从棒材上切取拉伸试样毛坯按以下三种方案在箱式热处理炉中进行热处理。（1）先将试样加热到不同的温度（790～830℃）固溶，保温0.5h后水冷，然后在550℃保温2h；（2）将试样加热到810℃，保温0.5h后水冷，然后在不同时效温度（500～600℃）保温2h；（3）试样加热到810℃，保温0.5h后水冷，然后在550℃保温不同时间（2～8h）。

将所有热处理后的试样按照GB/T 228加工成标距尺寸为φ5mm的标准拉伸试样，然后在 WE－300型材料拉伸试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度为2mm·min－1，取3个试样的平均值。另取金相试样进行机械研磨抛光，用HF、HNO3、H2O体积比为1∶3∶10的混合腐蚀剂腐蚀后，在Axiovert-ZOOMAT型光学显微镜（OM）和日立S-4300型场发射扫描电镜（SEM）下观察显微组织。

表1 试验合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of the test alloy（mass） %

2 试验结果与讨论

2.1 热处理对显微组织的影响

2.1.1 固溶温度的影响

由图1可见，随着固溶温度的升高，合金中初生颗粒状αp相的含量减少且尺寸减小。当温度升高到830℃时，组织中初生αp相的含量很少，并开始出现β相的晶界。由于该合金中含有较多的β相稳定元素，马氏体转变温度低于室温，所以固溶水冷后，一些β相没有发生马氏体转变而保留至室温，形成亚稳的β相。

图1 试验合金在不同温度固溶后的OM形貌Fig.1 OMmorphology of the test alloy after solid solution at different temperatures

2.1.2 时效温度的影响

由图2可见，在810℃固溶并在500℃时效后，合金中初生αp相以长条状为主，并且具有少量的等轴组织；当时效温度升高到550℃，长条状初生αp相已基本发生了等轴化。从图中可以清晰地看到初生αp相在原始β晶粒晶隅形核，并向晶粒内部生长；次生αs相从原始β晶界和晶内析出，并以一定的惯习面向晶粒内部生长。随着时效温度的升高，原始β晶界变宽，细针状的次生αs变粗变长，转变为粗大的棒状组织。

2.1.3 时效时间的影响

由图3可见，试验合金经810℃固溶及550℃时效后，随着时效时间的延长，初生αp相的形貌变化不大，次生αs相的含量增多，并且变细变短。

2.2 热处理对拉伸性能的影响

2.2.1 固溶温度的影响

图2 试验合金经810℃固溶并在不同温度时效处理后的SEM形貌Fig.2 SEMmorphology of the test alloy after solid solution at 810 ℃ and then aging at different temperatures（a）500 ℃，low magnification；（b）500℃，high magnification；（c）550℃，low magnification；（d）550℃，high magnification；（e）600℃，low magnification and（f）600℃，high magnification

图3 试验合金经810℃固溶并在550℃时效不同时间后的SEM形貌Fig.3 SEMmorphology of the test alloy after solid solution at 810 ℃ and then aging at 550 ℃for different times：（a）2h，low magnification；（b）2h，high magnification；（c）8h，low magnification and（d）8h，high magnification

图4 固溶温度对试验合金拉伸性能的影响Fig.4 Effects of solid solution temperature on tensile properties of the test alloy

图5 时效温度对试验合金拉伸性能的影响Fig.5 Effects of aging temperature on tensile properties of the test alloy

图6 时效时间对试验合金拉伸性能的影响Fig.6 Effects of aging time on tensile properties of the test alloy

由图4可知，随着固溶温度的升高，合金的抗拉强度和屈服强度逐渐增大，伸长率逐渐减小。钛合金的强化方式主要依靠亚稳β相在时效过程中析出弥散状的次生αs相来提高合金的强度。随着固溶温度的提高，组织中的初生αp相逐渐减小，亚稳β相逐渐增多。时效后，亚稳β相将析出更多弥散细小的次生αs相，使合金弥散强化效果增大。因此，合金强度增大，塑性降低。此外，此种合金的加工硬化率较低，因此抗拉强度只稍高于屈服强度；一定量的初生αp相将改善此种合金的塑性，830℃固溶时的初生αp相较之790℃和810℃急剧减少，这导致了其伸长率急降。

2.2.2 时效温度的影响

由图5可知，随着时效温度的升高，合金的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而伸长率逐渐提高。因为随着时效温度的升高，组织中初生αp等轴化、次生αs相变粗变长，两相的界面面积减少，第二相强化减弱，位错滑移阻力减小，因此合金的强度降低，塑性增大。特别是550℃及其以上温度时效时，上述初生αp显著等轴化或次生αs相显著变粗变长，从而使强度降低，塑性急剧增大。

2.2.3 时效时间的影响

由图6可知，随着时效时间的延长，合金的抗拉强度和屈服强度逐渐增大，伸长率逐渐降低。这是因为随着时效时间的延长，亚稳β相析出了更多更弥散分布的次生αs，位错滑移的阻力更大、距离更短，第二相强化效果增大，塑性降低。

3 结 论

（1）随着固溶温度的升高，Ti55531合金中初生αp相的含量逐渐减少，时效后抗拉强度和屈服强度逐渐增大，伸长率逐渐减小。

（2）随着时效温度的升高，Ti55531合金中初生αp相等轴化、次生αs相变粗变长，抗拉强度和屈服强度逐渐减小，伸长率逐渐增大。

（3）随着时效时间的延长，Ti55531合金中次生αs相含量逐渐增多且弥散分布，抗拉强度和屈服强度逐渐增大，伸长率逐渐减小。

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