热处理工艺对Ti55531合金组织和拉伸性能的影响

闵新华，徐 锋，孙书英

（1.宝钢特钢有限公司，上海 200940；2.宝钢研究院特钢技术中心，上海 200940）

0 引 言

Ti55531合金属于β合金，是由BT22合金发展而来的一种具有高强度和高断裂韧性的新型钛合金，其名义成分为Ti－5Al－5Mo－5V－3Cr－1Zr。与当前广泛应用于大型民用客机上的Ti－1023合金相比，Ti55531合金不会产生明显的成分偏析，且室温抗拉强度提高了约15%。该合金具有良好的淬透性和较宽的加工工艺范围，在生产过程中以空冷工艺代替水淬工艺，可以改善残余应力对其后续机加工的影响，从而降低其加工成本。

目前，Ti55531合金已成功替代 Ti－6Al－4V 和Ti－1023合金应用于飞机的起落架、机翼等20多种承力部件上，并使这些部件质量减小8%。

目前，国内已逐步对该合金开展相关研究［1－2］，但可查的公开报道并不多见。因此，作者通过锻造制备了Ti55531合金棒材和锻件，然后对其进行不同的固溶时效热处理，研究了热处理工艺对其显微组织和拉伸性能的影响。

1 试样制备与试验方法

采用真空自耗炉通过三次熔炼制备了Ti55531钛合金铸锭，然后再经开坯、β单相区锻造、α＋β两相区锻造后获得φ250mm的棒材，棒材在两相区的变形量控制在60%以上。然后分别对棒材按如下2个方案进行处理。

其一：沿棒材横向切取试样，采用表1所示的工艺参数进行热处理（固溶＋时效热处理），以研究热处理工艺对棒材组织和性能的影响。表1中，T1，T2，T3分别为固溶温度，t1为固溶时间，t2为时效时间，T1＜T2＜T3。

表1 Ti55531合金棒材的热处理工艺及其热处理后的拉伸性能Tab.1 Heat treatment processes for Ti55531alloy bar and tensile properties of the alloy bar after heat treatment

其二：直接对棒材进行等温锻造（终锻在两相区，总变形量大于50%），锻件外形呈饼环状，外形尺寸为580mm；沿锻件横向切取试样，按表1试样b和d的工艺对锻件进行热处理，以研究热处理工艺对锻件组织和性能的影响。

采用DSX100型光学显微镜观察试验合金的显微组织，腐蚀剂为1%HF＋3%HNO3＋96%水；参考GB／T 228.1－2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验》和GB／T 4338－2006《金属高温拉伸试验方法》，在ZWICK－Z150型拉伸试验机上进行拉伸试验，试样尺寸为φ10mm×55mm，应变速率为0.0025s－1（屈服前）和0.008s－1（屈服后），高温拉伸试验的温度为500℃。

2 试验结果与讨论

2.1 对合金棒材组织和性能的影响

由表1可以看出，对于时效工艺参数相同而固溶工艺参数不同的试样a，c，f而言，随着固溶温度从T1升至T3，室温抗拉强度和屈服强度逐渐增大，抗拉强度由1235MPa增至1415MPa，屈服强度由1225MPa增至1370MPa；而伸长率和断面收缩率则呈快速下降的趋势，分别由8.00%和30.0%降至2.25%和6.75%。对于固溶工艺参数相同而时效工艺参数不同的试样b，c，d，e而言，随着时效温度从650℃降至575℃，抗拉强度和屈服强度逐渐增大，抗拉强度从1221MPa增至1406MPa，屈服强度由1150MPa增至1339MPa；伸长率和断面收缩率的下降亦很明显，分别从4.75%和18.5%降至0.5%和6.0%。

可见，确定合适的固溶温度和时效温度可使Ti55531合金实现最佳的强度和塑性匹配。

由图1可以看出，随着固溶温度升高，初生α相从弥散的颗粒状转变为条状或短棒状，达到一定温度后全部转变为β晶粒，且β晶粒内的片状α均呈细针状。这说明此时的温度已经到达β相的转变温度。升高固溶温度可使Ti55531合金的组织发生改变，满足合金高强度的要求，但当固溶温度高于Tβ（β相转变温度）后，α相消失，β晶粒形成并长大，从而导致合金的强度增大，塑性下降。为避免β晶粒形成和快速长大，Ti55531合金的固溶温度不宜超过Tβ，这样可以获得晶粒尺寸合适并同时含有初生α相和次生α相混合的双态组织［3］。此类组织的综合性能较好，是钛合金中广泛采用的组织类型。

由图2可以看出，随着时效温度逐渐降低，在黑色基体上分布着的白色短棒状或条状α相逐渐溶解，球化析出弥散的α颗粒，其面积分数达到20%～30%。可见，时效温度的降低导致组织发生变化，这将会导致其室温拉伸性能发生很大变化。结合表1可见，时效温度降低50℃，室温抗拉强度和屈服强度增加了约200MPa，伸长率和断面收缩率下降明显，尤其是伸长率下降到了0.5%。这说明时效温度对Ti55531合金室温拉伸性能的影响更大。

图1 经不同固溶工艺和相同时效工艺处理后Ti55531合金棒材的显微组织Fig.1 Microstructure of Ti55531alloy bar after heat treatments with differen solid－solution processes and same aging process：（a）sample a；（b）sample c and（c）sample f

图2 经相同固溶工艺和不同时效工艺处理后Ti55531合金棒材的显微组织Fig.2 Microstructure of Ti55531alloy bar after heat treatments with same solid－solution process and different aging processes：（a）sample b；（b）sample c；（c）sample d and（d）sample e

2.2 对锻件组织和性能的影响

从表2可以看出，随着时效温度从650℃降至600℃，Ti55531合金锻件在室温和500℃下的抗拉强度均增大，伸长率和断面收缩率则均降低，这与棒材的试验结果相符。此外，当时效温度为650℃时，虽然塑性指标比较好，但是室温拉伸强度不能满足相关技术标准的要求，属于不合格产品，在实际生产中该热处理制度不能选用；当时效温度为600℃时，Ti55531合金达到了良好的强度和塑性匹配，强度和塑性指标都能达到了标准的要求。

表2 Ti55531合金锻件经不同热处理后的横向拉伸性能Tab.2 Transverse tensile properties of Ti55531forged alloy after different heat treatments

由于锻件是最终的热加工产品，其变形量比较充分，热加工过程已使组织充分变形，因此在光学显微镜下看不出时效温度调整前后的组织变化，如图3和图4所示，均为两相区锻造的弥散、细小的α颗粒分布在黑色的转变β基体上，不同区域组织的均匀性基本一致。

图3 在650℃时效处理后Ti55531合金锻件不同部位的显微组织Fig.3 Microstrucure of different positions in Ti55531forged alloy after aging at 650℃ ：（a）centre；（b）1／2radius；（c）margin

图4 在600℃时效处理后Ti55531合金锻件不同部位的显微组织Fig.4 Microstrucure of different positions in Ti55531forged alloy after aging at 600℃ ：（a）centre；（b）1／2radius；（c）margin

3 结 论

（1）随着固溶温度升高，Ti55531合金棒材中的初生α相由颗粒状变为条状或短棒状，直至全部变为β相；随着时效温度降低，短棒状或条状α相逐渐溶解并球化析出α颗粒。

（2）随着固溶温度升高，合金室温抗拉强度和屈服强度明显增大，伸长率和断面收缩率则大幅下降；随着时效温度降低，抗拉强度和屈服强度逐渐增大，伸长率和断面收缩率明显降低。

（3）为使钛合金棒材的室温强度和塑性达到最佳匹配，固溶温度应控制在相变点以下，时效温度宜选择在600～620℃区间。

（4）固溶温度在相变点以下，时效温度在600℃时，Ti55531合金锻件的强度和塑性可满足相关标准要求。

［1］付艳艳，宋月清，惠松骁，等.热处理对VST55531钛合金组织和拉伸性能的影响［J］.稀有金属，2008，32（4）：399－403.

［2］FU Yan－yan，SONG Yue－qing，HUI Song－xiao，et al.Effects of heat treatment processes on microstructure and tensile properties of VSTT55531alloy［J］.Metal Heat Treatment，2008，33（7）：66－68.

［3］赵永庆，陈永楠，张学敏.钛合金相变及热处理［M］.长沙：中南大学出版社，2012：130.