热处理对Ti-10V-2Fe-3Al钛合金力学性能的影响

Ti-10V-2Fe-3Al 合金是一种近β 型钛合金，由于具有高强、高韧、高比强度、深淬透性和优良的热加工性在航空航天领域具有广泛的应用前景。与目前航空航天领域用量最大的Ti-6A l-4V 合金相比，Ti-10V-2Fe-3Al 合金的β 转变温度一般为790℃～815℃，比Ti-6Al-4V 合金的β转变温度大约低100℃。在β 转变温度附近变形的流动应力与Ti-6Al-4V 合金935℃变形的流动应力相当，可用于生产各类棒材、板材、锻件等产品，尤其适用于制造316℃以下工作的发动机零件。与锻造等加工工艺相比，热处理能够在不改变工件的尺寸结构和化学成分的前提下，有效改善工件内部的微观组织，最终获得优良的使用性能和工艺性能，达到提升产品质量、延长使用寿命的目的。Ti-10V-2Fe-3Al 合金主要采用固溶+时效的热处理制度，由于该合金热变形行为复杂，固溶温度、冷却速度和时效温度等热处理参数在很大程度上决定了最终的组织性能。实际生产中，Ti-10V-2Fe-3Al 合金经常出现热处理后强度和塑性不匹配、不达标的情况，一次生产合格率较低。因此，研究主要热处理参数对性能的影响规律、确定合理的热处理制度、合理匹配合金的强度和塑性是实际工程中亟需解决的重要问题。

本文通过对Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金锻件在不同固溶和时效温度下的热处理，分别研究了固溶温度和时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金强度和塑性的影响，最终确定了较优化的热处理参数。

试验原材料

试验原材料为某厂家生产的

130mm 的Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金棒材，棒材经3 次真空自耗电弧(VAR)熔炼，其化学成分(质量分数)见表1，采用淬火金相法测得其相变温度为823℃。棒材的低倍组织如图1 所示，低倍组织均匀，未见冶金缺陷。腐蚀剂及比例为HF：HNO

：H

O=2：5：13，腐蚀时间为2min，腐蚀温度为室温。

学术界对高等教育发展的范式研究成果相对不足，我们倾向于按照“高等教育自身知识体系积累”的标准将改革开放以来的高等教育发展范式分为“体系化”发展范式、“实效化”发展范式、“文化主义”发展范式［9］这样三个阶段，并且将当前及未来一段时期内高等教育发展的主要范式表述为“个性化”范式。所谓“个性化”范式指的是一种在学生“数字化生存”和“文化生存”时代，通过发挥高等教育的差异化教学、因材施教功能确保每一个学生个体都可以获得全面自由发展的范式，在本质性的意义上它区别于传统的“批量化”“复制式”“灌输式”的教育范式。

3）持续监测及空洞探测。在盾构完成穿越高铁桥梁桩基后，持续进行自动化监测，至监测数据稳定后方可减少监测频率，监测结果显示桥墩变形量均在允许范围内；对盾构穿越铁路影响区域进行地层密实性和空洞情况雷达地质扫描后未发现地层空洞。

随着时效温度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金的抗拉强度和屈服强度明显降低，伸长率和断面收缩率提高。

图3 为不同固溶温度对Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金显微组织，可以看出随着固溶温度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金的初生α 相减少。

试验结果分析

固溶温度对钛合金拉伸性能的影响

每一个黄昏，在华侨皮鞋厂下班以后，家里小阁楼实在闷热，搬一只椅子，搁在楼下湿荫荫的地上，看书——这本书或可是叔本华、尼采，或可是陀思妥耶夫斯基的《白痴》，后者是用一首短诗的稿酬换来的。一个少年性子里无告的安详与忍耐，或许是教堂日复一日的钟声所培养的吧。

采用英斯特朗电子万能试验机分别对热处理后的锻件进行纵向室温拉伸性能测试，测试方法参照GB/T 228.1-2010，金相组织采用奥林巴斯GX71 金相显微镜进行观察，腐蚀剂：4mLHF+6mL10%草酸水+90mLH

O，腐蚀时间：10s，腐蚀温度：室温。

随着固溶温度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金的抗拉和屈服强度都有一定幅度的提高，而伸长率和断面收缩率下降，显微组织中初生α 相变小，且含量减少。

时效温度对钛合金拉伸性能的影响

次生α 相是在时效过程中析出的。在相同的固溶条件下，随着时效温度增加，次生α 相尺寸增大、数量减少，材料抗拉强度和屈服强度降低，延伸率和断面收缩率都明显增加。

棒材经α+β 两相区锻造成锻件，锻件的有效厚度为50mm 左右，选择其中的5 个锻件进行整体热处理，借鉴前期的生产经验，将固溶温度分别设置为760℃、765℃和770℃，保温2h，冷却方式为水冷；时效温度固定为520℃，保温8h，冷却方式为空冷，测试不同的固溶温度对合金强度和塑性的影响。为分析时效温度对合金强度和塑性的影响，固溶温度固定为765℃，保温2h，冷却方式为水冷，时效温度分别设置为520℃、523℃和526℃，保温8h，冷却方式空冷。具体的试验方案见表2。

结果分析

同比，在相同的时效制度下，固溶温度在760℃到770℃之间时，固溶温度提高10℃，抗拉强度和屈服强度分别提高74MPa 和65MPa，伸长率和断面收缩率相应分别下降4.2%和12.9%。在相同的固溶制度下，时效温度在520℃到525℃之间时，时效温度提高5℃，抗拉强度降低了77MPa，屈服强度降低了64MPa，而伸长率和断面收缩率分别提高了3.7%和15.3%。因此说明在该温度范围区间，时效温度对合金性能的影响大于固溶温度。

固溶+时效后的Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金的显微组织主要由β 基体、初生α 相以及次生α相组成。其中初生α相的数量对针状次生α相的析出有影响，在相同的时效条件下，随着固溶温度的提高，更多的初生α 相发生了溶解，初生α 相体积分数逐渐减少，并在时效时以针状次生α 相的形态析出，因此锻件的强度提高，塑性下降。

不同固溶温度对Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金拉伸性能的影响如图2 所示。固溶温度从760℃提高到765℃和770℃，在相同的时效制度下，加热温度520 ℃，保温8h，空冷。在强度方面，抗拉强度 从1148MPa 提 高 到1192MPa 和1222MPa，分 别提高了44MPa 和74MPa；屈服强度从1105MPa 提高 到1143MPa 和1170MPa，分 别 提 高 了38MPa 和65MPa。在塑性方面，伸长率从13.5%降至10.9%和9.3%，分别下降了2.6%和4.2%；断面收缩率从43.5%降至38.3%和30.6%，分别下降了5.2%和12.9%。

不同时效温度下Ti-10V-2Fe-3Al 钛合金拉伸性能如图4 所示。时效温度从520℃提高到523℃和525℃，在相同的固溶制度下，加热温度765℃，保温2h，水冷。在强度方面，抗拉强度从1192MPa降低到1156MPa 和1115MPa，分别降低了36MPa和77MPa；屈服强度从1143MPa 降低到1117MPa 和1079MPa，分别降低了26MPa 和64MPa。在塑性方面，伸长率从10.9%提高至11.9%和14.6%，分别提高了1%和3.7%；断面收缩率从38.3%提高至42%和53.6%，分别提高了3.7%和15.3%。

钛合金通过固溶处理获得过饱和固溶体，然后在时效过程中，第二相通过形核和核长大的方式在过饱和固溶体中析出，起到时效强化、提高合金强度的作用。

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结论

(1)采用相同的时效制度520℃×8h，空冷，合金的固溶温度在760℃到770℃之间时，随着固溶温度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 合金的抗拉强度和屈服强度明显提高，伸长率和断面收缩率均下降，显微组织中初生α 相变小，且含量减少。

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(2)采用相同的固溶制度765℃×2h，水冷，合金的时效温度在520℃到525℃之间时，随着时效温度的提高，Ti-10V-2Fe-3Al 合金的抗拉强度和屈服强度明显降低，伸长率和断面收缩率提高。

(3)在该温度范围区间，时效温度对合金性能的影响大于固溶温度。