β单相区固溶温度对Ti-55531合金组织及性能的影响

2019-07-05李泽东黄朝文陈林波李佳辉辛社伟赵永庆

钛工业进展 2019年3期

李泽东，黄朝文，陈林波，徐杨，何飞，李佳辉，辛社伟，赵永庆

(1.贵州大学高性能金属结构材料和制造技术国家联合地方工程实验室，贵州贵阳 550025)(2.西北有色金属研究院，陕西西安 710016)

0 引言

Ti-55531合金(名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr) 作为一种新型高强韧钛合金，因能够满足新型航空结构件的高要求而得到广泛关注[1-4]。Ti-55531合金的典型服役组织为双态组织和片层组织[5]，其中片层组织的强韧性匹配优良[6-7]，既能保证一定的强度又能拥有比双态组织更高的抗扭强度、断裂韧性和抗裂纹扩展能力[8-10]。α相是高强韧钛合金中最主要的强化相，其尺寸、含量和形貌等特征参数会显著影响Ti-55531合金的性能[11-13]，因此掌握热加工及热处理工艺对α相组织参数的影响规律，对更好地调控Ti-55531合金组织及性能有很大帮助。锻后工件的后续热处理过程中，固溶温度对合金最终的组织类型有显著影响，从而成为影响合金最终性能的关键工艺参数之一。

当前关于固溶温度，尤其是单相区固溶温度对Ti-55531合金片层组织中α相的析出行为及其对合金力学性能的影响规律报道很少，有关片层组织Ti-55531合金的组织和性能关系数据不完善，不利于该合金的结构设计及推广应用。为此，本研究在相同的固溶保温时间、冷却方式和后续时效工艺下，改变相变点以上的固溶温度，系统研究β单相区固溶温度对合金片层组织中原始β晶粒尺寸、α片的组织参数及性能的影响，以期能够为掌握该合金的组织-性能关系和工业生产过程中热处理工艺的制定提供借鉴。

1 实验

实验原料为西北有色金属研究院提供的Ti-55531合金棒材。利用金相法测得该合金的相变点Tβ为(830±5)℃。根据相变点温度，对合金分别进行830、860、880、900 ℃×2 h/AC固溶处理，然后进行相同的时效处理(600 ℃×6 h/AC)。根据国标《GB/T228.1—2010金属材料拉伸试验第一部分室温拉伸》将热处理后的试样加工成标准拉伸试样，采用Instron 9895万能试验机进行室温拉伸试验，每种热处理制度测试3组数据，以其平均值作为测量结果。采用蔡司 Axio Vert A1 光学显微镜和 JSM-6460、JSM-6700扫描电镜观察分析合金的显微组织及拉伸断口形貌，利用IPP图像分析软件统计分析β晶粒尺寸和α相长、宽等特征参数。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1为Ti-55531合金经不同温度固溶处理后的金相照片。表1为不同固溶温度下合金组织中β晶粒尺寸的测量数据。由图1和表1可知，随着固溶温度的上升，Ti-55531合金β晶粒尺寸逐渐变大。这是由于固溶温度升高，加快了晶界迁移速率，使晶粒长大速度加快[14]。

图2为Ti-55531合金经不同温度固溶+时效热处理后的SEM照片。表2为Ti-55531合金固溶+时效处理后组织中的α片尺寸。由图2和表2可知，Ti-55531合金组织由α片与残余β相排列成片层状组织，部分晶界处有少许晶界α相。随着固溶温度

图1 Ti-55531合金经不同温度固溶处理后的金相照片Fig.1 Metallographs of Ti-55531 alloy treated at different solution temperatures：(a)830 ℃; (b)860 ℃; (c)880 ℃; (d)900 ℃

表1Ti-55531合金经不同温度固溶处理后的β晶粒尺寸

Table 1 The β grain size of Ti-55531 alloy treated at different solution temperatures

的升高，经过时效处理后析出的α片长、宽及长宽比均先增大，在860 ℃达到最大值(α片的长和宽分别约为2.82 μm和0.146 μm，长宽比为19.32)，随后逐渐减小。随着固溶温度的升高，合金析出了越来越多的α片，α片先逐渐粗化，再逐渐细化。由于固溶温度在相变点以上，没有了初生等轴α相对α片长大的阻碍，α片发生粗化[5]，但温度过高，析出大量α片，排列越来越紧密，相互阻碍了彼此的长大，α片则得到细化。上述组织特征将会对合金的力学性能产生显著影响。

图2 Ti-55531合金经不同温度固溶+时效处理后的SEM照片Fig.2 SEM microstructures of Ti-55531 alloy after solution and aging treatment at different solution temperatures： (a)830 ℃; (b)860 ℃; (c)880 ℃; (d)900 ℃

表2Ti-55531合金经不同温度固溶+时效处理后组织中的α片尺寸

Table 2 The size of α phase plates of Ti-55531 alloy after solution and aging treatment at different solution temperatures

2.2 力学性能

图3为Ti-55531 合金拉伸性能随固溶温度的变化曲线。由图3可知，其他热处理工艺参数相同时，当固溶温度从830 ℃升高到880 ℃时，合金的力学性能均小幅降低，屈服强度(RP0.2)从1 146.5 MPa降到了1 103 MPa；抗拉强度(Rm)从1 239.5 MPa降到了1 188.5 MPa；伸长率(A)从9.35%降低到了9.25%；断面收缩率(Z)从19.25%降低到了14%。当固溶温度从880 ℃升高到900 ℃时，合金的屈服强度和抗拉强度分别从1 103 MPa和1 188.5 MPa降低到1 066.5 MPa和1 157 MPa；但塑性却得到大幅提升，伸长率和断面收缩率分别从9.25%和14%提升到10.25%和20.5%。

图3 Ti-55531合金拉伸性能随固溶温度的变化曲线Fig.3 Curves of tensile properties of Ti-55531 alloy vs. solution temperatures

合金的组织决定其性能。由图2及表2可知，在830～900 ℃之间，随着固溶温度上升，时效后基体上析出大量的α片，并且α片发生粗化，使Ti-55531 合金获得较高的强度[15]。文献[16]认为，α片厚度增加使合金的强度有所提升，但这一过程中还伴随着β晶粒的长大，将导致合金强度降低。综合来看，因β晶粒尺寸长大导致的合金强度的降低量大于α片引起的合金强度的增加量，所以在830～900 ℃的固溶温度区间合金表现为强度降低。而由于细小片层组织比粗大片层组织更易旋转变形，粗大片层更易被剪切断裂，所以细小片层组织的塑性较粗大片层的好[1]，且细小的β晶粒也可使合金具有良好的塑性。在830～880 ℃之间固溶处理，由于α片随着温度上升而逐渐粗化，β晶粒长大，所以塑性表现为降低；在880～900 ℃之间由于单位体积中α片析出越来越多，相互阻碍了自身的粗化，造成了α片随着温度上升而细化的现象，因此塑性上升。

2.3 断口分析

为了进一步研究α相对Ti-55531合金力学性能的影响，对固溶温度分别为830、880、900 ℃时合金的拉伸断口形貌进行了观察分析，如图4所示。固溶温度为830 ℃时，断口宏观照片呈现部分剪切唇区(图4a)，表明合金具有一定的塑性特征,而且还可以观察到裂纹扩展的放射区。通过对断口局部进一步放大，可观察到大量韧窝、解理台阶和沿晶裂纹(图4d)。因为在片层组织Ti-55531合金中存在的少量组织不均匀区容易使位错堆叠产生应力集中，导致裂纹萌生，裂纹穿过晶界并在相邻晶粒内扩展造成穿晶断裂；晶界α处萌生的微裂纹沿晶界扩展形成长裂纹，导致沿晶开裂[17]。固溶温度升高到880 ℃和900 ℃，可以观察到更多的剪切唇(图4b、c)，局部放大后可以发现韧窝、解理台阶和沿晶裂纹(图4e、f)。

图4 Ti-55531合金经不同温度固溶+时效处理后的拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of Ti-55531 alloy after solution and aging treatment at different solution temperatures： (a, d) 830 ℃； (b, e) 880 ℃； (c, f) 900 ℃

图5为Ti-55531合金经880 ℃固溶+时效处理后的拉伸断口剖面图。从图5可以观察到，Ti-55531 合金组织为均匀的片层组织，断口剖面存在大量解理，因此裂纹的扩展过程比较曲折，说明片层状α相能够很好地阻碍裂纹扩展。另外，此温度下固溶对应的β晶粒的尺寸较为粗大。文献[18]认为，粗大的β晶粒有助于提高材料的抗裂纹扩展能力。综合来看，Ti-55531合金具有良好的抗裂纹扩展能力。结合图4可知，片层组织Ti-55531合金的拉伸断裂失效以微孔聚集为主，沿晶开裂和穿晶断裂并存的混合断裂机制。

图5 Ti-55531合金经880 ℃固溶+时效处理后的拉伸断口剖面图Fig.5 Profile morphology of tensile fracture of Ti-55531 alloy after solution treatment at 800 ℃ and aging treatment