不同冷却方式对钛合金组织和性能的影响

肖子凡 邵 旭 王 闯 张一堃 张学萍

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的热强度和加工性能处于α单相和β单相钛合金之间，具有良好的力学性能[1，2]和淬透性[3-5]。钛合金的强度及硬度与冷却方式有着密切的关系，不同的冷却速度能够使钛合金获得不同的组织形貌和表面硬度。

1 实验材料及方法

实验原料是Ti-6Al-4V板材。将试验材料在箱式电阻炉中以1100℃保温2小时，分别采用油冷、水冷、炉冷和空冷等四种不同的方式冷却至室温。将冷却后的板材按要求切割成试样，用维氏硬度计进行硬度测量，利用金相显微镜观察试样的显微组织。

2 实验结果与讨论

2.1 金相组织

图1a为炉冷显微组织，呈片状α相和β相晶界，在缓慢冷却条件下，随着温度的缓慢降低组织变粗大，同时晶内片状α相长且宽，其组织粗化，出现粗大魏氏组织、网篮组织特征；图1b为空冷组织，基体呈细条α相和β相晶界，冷速比炉冷稍快，条或片相对细薄，晶界明显，晶内沿一定方向析出的相互平行的条状α相，纵横交错，生长方向由于其它α相的存在而受到抑制；图1c为油冷组织，冷却时有一定过冷度，基体也是相互平行比空冷略细的细条或少量针状α相和β相晶界，与空冷组织相似，个别α相片层区间生成少量针状马氏体；图1d为水冷组织，呈细针状α＇相和β相晶界。由于冷却速率较快，有使得α相成长的条件，保留更多的稳定的α相和β相，其抗断裂强度得到提升。冷却速率最高的形成的针状次生α＇相最多，最紧密，该金属的性能相对最好，这点可以推断出水冷的处理效果最好。

2.2 冷却方式对硬度的影响

经过不同冷却速度的试样表面硬度有所不同。炉冷、空冷、油冷和水冷后试样的表面维氏硬度分别为306、327、331和352HV。炉冷淬火最慢，时间长，得到粗条状较软魏氏组织，试样表面硬度最低。水冷淬火冷却速度最快，得到较硬α'马氏体，硬度最高，可达352HV。

3 结论

炉冷试样出现粗大魏氏组织、网篮组织特征。空冷试样晶内沿一定方向析出的相互平行的条状α相。油冷试样个别α相片层区间生成少量针状马氏体。水冷试样组织呈细针状α＇相和β相晶界。水冷淬火冷却速度最快，得到较硬α'马氏体，硬度最高，可达352HV。