β热处理对Ti-6Al-4V ELI 厚板性能影响

供稿|黄杰，陈永辉，高飞，王勤波，王娟华，王新，王俭 / HUANG Jie, CHEN Yong-hui, GAO Fei, WANG Qin-bo, WANG Juan-hua, WANG Xin, WANG Lian

内容导读

由于飞机零部件的独特性能要求，损伤容限特性良好就成为选材的关键。β热处理的Ti-6Al-4VELI钛合金虽然具备该条件，但β热处理温度对Ti-6Al-4VELI厚板板材显微组织和力学性能的影响十分显著。通过对热处理温度方面的实验，发现在相变点以上热处理时，板材组织为魏氏体组织，其温度高低对其组织和力学性能的影响较小。但当温度未达到相变点以上温度时，板材组织即成为存在少量的等轴α晶粒的双态组织，无法完全形成魏氏体。所以Ti-6Al-4V ELI厚板材在β热处理时，其热处理的温度对成品组织及性能极为关键。

Ti-6Al-4V钛合金因具有良好的力学性能、加工成型与焊接等综合性能，是目前国际上应用最多的一种典型钛合金。Ti-6Al-4V ELI钛合金是在普通Ti-6Al-4V钛合金基础上发展而来的，通过降低间隙元素，限窄Al、V合金元素和β热处理等措施，大大提高了其断裂韧性，降低了裂纹扩展速率，特别适合制造采用损伤容限设计的飞机零部件，是飞机长寿命高可靠性损伤容限设计用的骨干钛合金材料。损伤容限是一种较新的结构设计理论，是指结构材料经受定量的疲劳、腐蚀意外或是离散源损伤，在使用周期内，结构材料保持其所要求的剩余强度的能力[1]。近年来，国外先进的军用和民用飞机的设计中都贯彻了损伤容限的设计准则，β热处理的Ti-6Al-4VELI合金因其具有高断裂韧性而获得了广泛的应用。在我国航空领域技术水平正在不断向发达国家靠近的今天，生产β热处理的Ti-6Al-4VELI合金是我国钛合金产业未来发展的方向。但目前为止，我国大量应用的Ti-6Al-4V钛合金板材基本都属于两相区加工组织(可统称为等轴组织)，加工经验最多，技术最为成熟。而魏氏体组织的钛合金尚无实际应用。这两种板材组织的不同表明产品性能差异较大，因此若想要实际应用魏氏体组织的钛合金则需要通过实验来确定产品的最佳性能。

实验方案

实验材料为宝钛集团提供的经过两次真空自耗熔炼的Ti-6Al-4V ELI铸锭，相变点采用金相法实测为970～980℃，化学成分符合AMS4905规定要求。铸锭经由3150T锻造机进行开坯锻造，在1200 mm热轧机轧制出厚度为75 mm的Ti-6Al-4VELI板材。热处理炉选用符合AMS2750E要求的，设备级别为四级的热处理炉。热处理温度选用了三个实验温度，分别为：980、1000和1020℃。在热处理后分别在板材表层及中心层取样。试样经加工后测试其力学性能及显微组织。力学性能实验方法按照EN2002-1进行，显微组织实验方法按照ASTM E112执行。

数据分析

魏氏体组织的Ti-6Al-4V ELI钛合金具有较高的平面应变断裂韧性和低的疲劳裂纹扩展速率，其抗蠕变能力和持久强度也较高，产品损伤容限特性好，而通过β热处理的Ti-6Al-4V ELI钛合金板材是获得魏氏体组织的有效途径。但是β热处理必须在β单相区加热，热处理温度高，钛合金在β热处理时晶粒有快速长大的倾向，而且随着温度的升高，长大速率明显增加，粗大的原始β晶粒势必降低材料的塑性性能。同时由于厚板板材存在变形不一致，板材在厚度方向和纵横方向的组织均匀性差异也将导致板材力学性能不一致。因此为了获得综合匹配的Ti-6Al-4V ELI厚板板材性能，我们在实验中主要测试了板材组织差异、纵横向力学性能差异以及板材表面层与中心层力学性能的差异。

Ti-6Al-4V ELI板坯相变点通过金相法测试实测为970～980℃，因为我们需要的板材组织为魏氏体组织，这就要求必须保证热处理时板材组织的完全转变，所以热处理温度必须处于相变点以上。由于原始β晶粒极易长大，因此选取的热处理温度也不能过高，防止β晶粒过大导致板材塑性降低。最终在实验中选取热处理温度为980、1000和1020℃。

热处 理制度对板材显微组织的影响

经过980℃热处理后Ti-6Al-4V ELI厚板板材的显微组织见图1。由图1可以看出，Ti-6Al-4V ELI 厚板板材在经过980℃热处理后，钛合金板材组织主要为双态组织，双态组织中的α有两种形态，一种是等轴状的初生α，另一种是β转变组织中的片状α。由于板坯经金相法实测相变点为970～980℃，而热处理温度为980℃，本次实验所用的热处理炉为符合AMS 2750E要求的四级炉，炉温均匀性要求为±10℃(TUS)，因此若是考虑到热处理炉的温度均匀性波动，这有可能造成板材实际热处理温度未能达到相变点以上，导致板材组织存在少量的等轴组织，未能完全魏氏体化。

而图2和图3为Ti-6Al-4V ELI 厚板板材经过1000和1020℃热处理，热处理温度保证了在板材相变点以上，因此图中显示板材经热处理后的组织均为魏氏体组织，无任何等轴状组织。

从实验中我们确认了Ti-6Al-4V ELI厚板板材的β热处理必须确保热处理温度处于β转变温度以上方能保证板材组织的完全转变，热处理时还必须考虑到热处理炉的炉温均匀性问题。因此在采用符合AMS 2750E要求的四级热处理炉时，建议热处理温度在相变点以上20℃作为β热处理温度，以保证板材组织的完全转变。

热处 理制度对板材力学性能的影响

图1 Ti-6Al-4V ELI板材经过980℃热处理后显微组织：(a) 表层；(b) 中心层

图2 Ti-6Al-4V ELI板材经过1000℃热处理后的显微组织 ：(a) 表层；(b) 中心层

图3 Ti-6Al-4V ELI板材经过1020℃热处理后的显微组织 ：(a) 表层；(b) 中心层

表1 经过980℃热处理后Ti-6Al-4V ELI 75 mm 厚板板材的力学性能

表2 经过1000℃热处理后Ti-6Al-4V ELI 75 mm 厚板板材的力学性能

从表1～3数据对比发现，980℃热处理时板材表层与中心层在强度及延伸率上差异较小，且数值较高，较为稳定。反应在显微组织上则均为双态组织，为少量等轴α晶粒和片层状组织，这应该是板材组织未能实现完全的β相转变，板材实际温度处于β转变温度附近，造成了板材组织未能转变成为魏氏体，形成了等轴α和β转变组织中的片状α的双态组织。由于热处理温度未能达到相变点以上，双态组织中的α相晶粒长大较为缓慢，因此在热处理后板材表层与中心层组织基本一致，力学性能也较为接近。而1000℃热处理时板材表层与中心层在强度及延伸率上有一定差异，但差异不大，强度与塑性匹配较好，板材在显微组织上则是全部转变为魏氏体组织，无等轴α晶粒的存在。1020℃热处理时表层与中心层在强度及延伸率有一定的差异，表层板材屈服强度与1000℃热处理的板材接近，但延伸率偏低，而中心层板材延伸率与1000℃热处理板材接近，但屈服强度较低，板材的显微组织也是全部转变为魏氏体组织。此外，反应在高向拉伸方面，随着温度的提高，板材强度及塑性均显示为下降，分析认为主要是由于钛合金热透性较差。因此随着热处理温度的提高，Ti-6Al-4V ELI厚板板材在热处理时板材表层及中心层组织会逐渐产生一定的差异，尤其是热处理温度高于相变点时，β晶粒长大速度较快，因此温度越高，板材表层与中心层组织差异越大，这就导致高向拉伸强度及塑性随着热处理温度的提高而下降。

表3 经过1020℃热处理后Ti-6Al-4V ELI 75 mm 厚板板材的力学性能

结束语

β热处理的Ti-6Al-4VELI钛合金对热处理温度较为敏感。首先，Ti-6Al-4V ELI厚板板材的β热处理必须保证热处理温度在相变点以上，这才能确保板材组织能够完全转变形成魏氏体组织，无等轴α晶粒的存在。在工业化生产过程中必须考虑热处理设备实际的温度波动，防止因热处理炉温度波动导致实际板材热处理温度偏低，从而造成板材组织出现等轴组织或双态组织。其次，Ti-6Al-4V ELI厚板板材的β热处理温度选定在1000℃时，其强塑性匹配较好，且表层与中心层组织差异小。

[1] 莫畏. 钛的金属学和热处理. 北京：冶金工业出版社，2009