热处理次数对ZTA15合金组织与性能的影响

贾志伟，冯芝华，王红红，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100095；2. 北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095）

ZTA15合金仿制于俄罗斯BT20Л钛合金[1]，其名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，属于高Al当量近α型钛合金，具有良好的铸造工艺性能、焊接性能和综合力学性能。ZTA15合金的室温力学性能与ZTC4合金相当，在350～500 ℃时，合金强度明显高于ZTC4合金。近年来随着铸造技术水平的提高、热等静压(HIP)和特种热处理工艺的应用，ZTA15合金铸件的质量和性能已经接近其变形件的水平，已经广泛应用于飞机、导弹、运载火箭和卫星等室温、高温承力构件[2]。

钛合金结构件在承受高温热循环作用时，其性能会恶化，寿命会降低[3]，许多研究者[4—10]针对不同的钛合金，分析并研究了热处理次数对合金组织与力学性能的影响。许多大型薄壁复杂框型钛合金精铸件因铸件结构特点以及相应的技术难点，导致铸件在生产过程中出现尺寸迭代变形，需要通过多次高温热处理进行热矫正解决变形问题，提高铸件尺寸精度，同时要求力学性能需满足高温 400 ℃拉伸性能指标要求，因此，文中通过研究多次920 ℃高温热处理对ZTA15合金铸件组织与性能的影响，旨在为铸件整体热矫正提供技术支持，同时以期对该材料推广应用提供可靠依据。

1 实验方法

ZTA15合金铸锭按照表1所示的范围进行配制，铸件及附铸试样采用熔模精密铸造方法浇注成形，选用Y2O3面层材料和ZrO2背层材料制备型壳。铸件浇注成形后通过热等静压处理，消除内部缩松、缩孔缺陷。热等静压工艺参数为：保压温度(920±20) ℃，氩气压力110～140 MPa，保温时间2.0～2.5 h，随炉冷却至 300 ℃以下后出炉空冷。铸件在真空退火炉中使用专用的石墨型胎具进行整体热矫正，退火温度(920±20) ℃，保温1.5～2.0 h，随炉冷却至300 ℃以下后出炉空冷。

试样取自Ф15 mm×120 mm试棒，随铸件同炉热等静压后，在(920±20) ℃退火温度下，分别循环退火1, 2, 3, 4, 5次。试样加工成标准拉伸件后，按照GB/T 228.1和 GB/T 4338标准进行室温和高温400 ℃力学性能拉伸。金相试样用 HF+HNO3+H2O（体积比为1∶1∶7）腐蚀液侵蚀后，在光学显微镜下进行宏观和显微组织观察。在 20和 400 ℃下，ZTA15合金力学性能指标要求见表2。

表1 ZTA15合金化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of ZTA15 alloy (mass fraction) %

表2 ZTA15合金力学性能指标要求Tab.2 Mechanical property requirement of ZTA15 alloy

2 实验结果与分析

2.1 化学成分

ZTA15钛合金属于近α型合金，通过α稳定元素Al的固溶强化，同时加入少量的中性元素Zr和β稳定元素Mo, V，使合金的热稳定性有所提高，并且提高合金在高温下的强度与抗蠕变性能，可在 500 ℃以下稳定使用[2]。取浇注的ZTA15试样进行化学成分分析，结果见表3。

表3 ZTA15化学成分检测结果（质量分数）Tab.3 Testing result for composition of ZTA15 (mass fraction) %

2.2 铸态组织与HIP组织

ZTA15合金组织由α,β两相组成，α相是该合金的基本相，其数量、形状、尺寸直接决定于合金最终经历的热工艺。ZTA15合金铸态组织和 HIP组织见图1。在铸造状态下典型组织为魏氏组织和网篮组织，该组织在铸造浇注过程中直接由β相向α相转变形成，粗大晶界和粗大板条状组织随处可见，原始β晶粒清晰可见，显著的α相分别单独地沿着晶界出现，原生β晶粒在熔炼浇注过程冷却中转变成长，在不同的地方出现编织状，见图1a。

热等静压(HIP)温度低于β相变转变温度(1000±20) ℃，其获得的组织主要源于合金熔炼浇注冷却凝固时铸造组织的遗传，但与铸态组织不同的是：合金在α+β两相区的长时保温且高压作用下，晶内α相组织粗化，晶界α相弱化并保留，组织以魏氏组织、网篮状组织为主，并有少量的块状α相分布其中。相组成主要是原生α相和α+β相的混合物，如图1b所示。由于魏氏组织中α相和β之间保持严格的晶体学位相关系，从而其组织具有顽强的“遗传性”[5]，通过常规热处理和非淬火条件下的循环热处理很难改善其组织结构，一般认为不能通过热处理对其进行强化，因此其供货状态通常为热等静压状态或者退火状态[11]。

图1 ZTA15合金铸态组织和HIP组织Fig.1 Cast microstructure and HIP microstructure of ZTA15 alloy

2.3 循环热处理组织

2.3.1 宏观组织

图2 ZTA15合金经HIP和循环热处理后的宏观组织Fig.2 Macrostructure of ZTA15 alloy through HIP and multiple heat treatment

ZTA15合金经 HIP和循环热处理后的宏观组织见图2。可知，HIP状态下晶粒棱角分明，随着循环次数的增加，晶粒度趋向圆润；5次循环热处理对宏观组织没有太大影响，显示仍为清晰的粗晶。许多研究者[12—16]认为在不同温度区间、不同冷却条件下变形和热处理，得到的组织差异很大，而 ZTA15合金由于热等静压和循环热处理温度均低于β相变转变温度，两种工艺的保温温度、保温时间及冷却速度基本相同，循环热处理组织“遗传”了热等静压组织；尽管循环热处理加热和冷却作用，使原始β晶粒的晶界α在溶解与析出过程中有所断开，但因常规热处理没有或者很少有新晶核形成，所以晶界α呈现网状或者断续的链状，原始β晶粒尺寸没有多大改变。

2.3.2 显微组织

ZTA15合金经 HIP和循环热处理后的显微组织见图3。可知，第1次循环热处理的合金组织与热等静压状态下存在明显差异，主要因素是热等静压状态形成的区域合金成分差异，使α相、β相在比例上发生了较大的变化；另一方面，热等静压储存在合金中的变形能出现释放，合金组织形貌也出现较大变化，热等静压组织中的α条经1次循环处理后趋向平直，见图3a和3b。1次循环后，晶界内较细的α条有些已经断开，晶界α也开始出现断裂的迹象，而较粗的α条基本不变，见图3b。随循环次数的增多，绝大部分α条被碎断，形成网状结构，晶界α逐渐断裂；随着α相的不断析出，相邻的α条在不断合并粗化，见图3c—3f。经5次循环热处理的试样几乎全部变成短α片网篮状组织形态。

图3 ZTA15合金经HIP和循环热处理后的显微组织Fig.3 Microstructure of ZTA15 alloy through HIP and multiple heat treatment

2.4 力学性能

ZTA15合金经不同热循环次数后的室温和高温400 ℃拉伸性能见图4，其中0次表示热等静压状态。第1次循环热处理，其室温抗拉强度较HIP状态有明显下降，主要原因为热等静压过程中的不稳定组织、成分开始向稳定方向发展。第2、3次热处理后，其室温抗拉强度达到峰值；第4次热处理后，其室温抗拉强度开始出现下降趋势。随着循环次数达到 5次时，合金室温强度和塑性下降比较明显，主要是随着循环次数的增加，β相向着α相的不断微量转化积累至α片层在长度方向相连接，从而对性能影响较大。这说明循环热处理达到某次时，对合金性能影响是比较大的。随着循环次数的增加，高温 400 ℃的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率变化比较平缓，波动性较小，说明ZTA15合金在高温400 ℃的强度和塑性比较稳定。ZTA15合金试样经5次循环热处理后，室温和高温 400 ℃力学性能均能稳定满足表 2指标要求。

图4 ZTA15合金经HIP和循环热处理后的室温和400 ℃拉伸性能Fig.4 Tensile properties at room temperature and 400 ℃ of ZTA15 through HIP and multiple heat treatment

3 讨论

图5 α相的溶解与长大Fig.5 Dissolution and growing up of α phase

α相的溶解与长大示意图见图5。关于ZTA15合金在α+β两相区循环热处理过程出现α条碎断、粗化的现象，与张帆[5]、何军利[11]等人对Ti-6Al-4V合金研究发现相一致，他们对该现象阐述了其形成的机制。该机制认为：在α+β两相区内，随着温度的升高，α相不断溶解于β相中，β相逐渐增加；在降温过程中，恰好相反。若α条较短，在高温阶段，溶解沿着α条的两端进行，但由于温度未超过β相变点，α相不可能完全溶解，在高温下就会形成小点状α（见图5a）；在低温阶段，α相又会沿着高温阶段未溶解的小点状α周围析出，在这一过程中，α相的溶解与析出并不是完全可逆的，随着循环次数的增加，条状α的长径比逐渐减小（见图5b）。若α条较长，在高温阶段，溶解首先沿着α条中间薄弱区域进行，使得室温阶段的条状α相在高温阶段溶解成沿原α相排列的点状α（见图 5c）；在低温阶段，α相就会以高温下残留的α相为核心析出长大，当两小段α相长大相接触时，接触面就会形成界面，随着循环次数的增加，原先长条状的α相就会逐渐粗化（见图5d）。

4 结论

ZTA15合金在α+β两相区内920 ℃循环热处理过程中出现α条碎断、合并粗化，经5次循环热处理后，典型的魏氏体组织基本转变为网篮状组织。

经5次循环热处理后，ZTA15合金室温拉伸性能较热等静压状态略有下降，而高温 400 ℃性能与热等静压状态基本持平。

经热等静压及5次循环热处理的ZTA15合金具有良好的延展性，其力学性能稳定，能够达到如下指标要求：室温抗拉强度≥885 MPa，屈服强度≥785MPa，伸长率≥5%，断裂收缩率≥12%；高温 400 ℃时，抗拉强度≥622 MPa，伸长率≥10%。

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