热处理对Ti-5111合金的微观组织及磨损性能的影响

2022-05-28杨哲昊孙丽吕凯林冠坚白亮

当代化工研究 2022年9期

＊杨哲昊孙丽吕凯林冠坚白亮

（内蒙古工业大学材料科学与工程学院内蒙古 010051）

钛及钛合金是20世纪50年代发展起来的轻质结构材料，具有高比强、刚度、耐腐蚀、无磁、可焊接、生物相容性好、良好的抗疲劳和抗蠕变等综合性能，可广泛应用于航空航天、石油化工、核工业、生物医疗等领域[1-5]，被誉为“第三金属”“战略金属”“海洋金属”[6-7]。

Ti-5111（Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si）合金是20世纪80年代末期由美国TIMETAL公司与海军水面作战中心共同开发的低成本近α钛合金[8]，具有良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能，优于船用钛合金48-OT3（Ti-4Al-0.005B），与Ti-6211（Ti-6Al-2V-1Nb-1Ta）相当[9]，能满足深潜器对材料屈服强度的要求（≥690MPa）。Ti-5111合金的冲击韧性为TC4的3倍，兼具高延性（δ≥13%）、良好的焊接性、优异的室温抗蠕变性能等特点，将代替Ti-6Al-4V ELI合金广泛应用于舰船制造，尤其被用于制备结构件和紧固件[10-12]。2002年Ti-5111合金首先在新型潜艇通信桅杆上投入使用，陆续已在30艘潜艇上应用，之后又扩大到美TBD轰炸机等结构件上应用[11-13]。美国海军水面作战中心用钨极气保焊制成厚度为25.4mm和51mm的Ti-5111焊件，对其在海洋环境中的使用性能进行了全面评价[14-15]。目前，TIMETAL公司已实现了Ti-5111合金板、棒、条及铸、锻件的规模生产[8]。

TIMETAL公司在Ti-5111合金中添加0.05% Pd提高了其耐缝隙腐蚀性[8]。内蒙古工业大学吕凯教授为了提高Ti-5111合金的耐腐蚀性能，采用微弧氧化法在合金表面制备了含ZrO2的氧化膜，含ZrO2浓度为1.00g/L的氧化膜的阻抗值最大，当ZrO2浓度为1.25g/L的腐蚀电位最高，腐蚀电流密度最小[16]。采用共生沉积工艺并通过高温作用使W粉扩散进入表面微弧氧化层内，可提高Ti-5111合金的耐磨性能[17]。

然而，关于Ti-5111合金在不同热处理条件下的微观组织演变规律的报道较少。本文以铸态Ti-5111合金为研究对象，分析热处理工艺对其微观组织、相结构、显微硬度与耐磨性的影响规律，期望将该合金推广应用于煤化工、石油化工等领域。

1.试验及方法

采用表1的工艺对铸态Ti-5111合金进行热处理，采用OM、XRD分析合金的微观组织和相结构，并测试合金的显微硬度，每个试样测试5个点，然后取平均值作为显微硬度值。利用摩擦磨损试验机进行耐磨性试验（每次磨损5min，载荷20N，转速200r/min，摩擦副为400#金相砂纸）。

2.结果与讨论

(1)微观组织及相结构

Ti-5111合金热处理后的微观组织如图1所示。可以看出，铸态合金的晶粒较粗大、大小不一，由初生α相（多）和转变β相（少）组成图1（a）。经1#工艺处理后，晶粒明显细化，且较均匀，β组织全部消失，α相含量显著降低图1（b）。经过2#工艺处理后，晶粒进一步细化，析出了β相，α相在β相上呈条块状分布且大小不一，α相的体积分数比β相大图1（c）。经过3#工艺处理后，晶粒继续得到细化，组织为α和β相，且α相为主图1（d）。

图2 Ti-5111合金经不同热处理后的相结构

综合分析图1可知：（1）热处理温度逐渐接近相变点（950℃）前，初生α相含量不断减少，转变β相含量逐渐降低，在相变点以下10～30℃区间，初生α相含量在10%～30%之间。（2）热处理温度高于相变点后，温度升高，再结晶现象显著。（3）Ti-5111合金拥有两相钛合金的特点，可通过加热手段调控初生α相含量。（4）热处理温度升高，晶粒逐渐由粗大且不均匀转变成大小均匀且细小。这除了和热处理温度有关外，冷却方式也产生显著影响（冷却速度越快，晶粒细化效果越显著）。

Ti-5111合金热处理后的相结构如图2所示。可以看出，铸态合金含有α和β两相，α相含量居多图2（a）。经1#工艺处理后，衍射角在38°～43°区间依然存在α相，且其强度明显增强，其它衍射角上的两相相继消失图2（b）。经2#工艺处理后，α相强度略有增强，衍射角在52°～55°区间有初生β相图2（c）。经3#工艺处理后，α和β相含量均显著增加，但α相仍占比高。

(2)显微硬度

测试结果表明，随着热处理温度逐渐升高，合金的硬度值先减小后增大。3#工艺处理后的合金硬度最高（HV462.74），1#工艺处理后的合金硬度（HV297.76）较铸态合金硬度（HV334.68）低，这与合金的微观组织密切相关。硬度值的大小也是合金强度的体现，实际应用中，可根据性能需求选择合适的热处理工艺。

(3)耐磨性

不同工艺处理后的合金磨损质量损失如图3所示。由图可见，热处理后，合金的耐磨性均得到提升，其质量损失均减小，其中，经1#工艺处理的合金的耐磨性最高。同一个试样，磨损质量损失均呈前两次较多，第三次较少。这是由于前两次磨损时，试样处于磨损咬合阶段，磨损量较大；第三次磨损时，摩擦副与试样接触良好，磨损量下降。