固溶时效处理对Ti-6Al-4V ELI钛合金准静态和动态力学性能的影响

高学敏， 王 晗， 王可迪， 何宇鹏， 程东松

(1. 河南省紧固连接技术重点实验室， 河南 信阳 464000；2. 河南航天精工制造有限公司， 河南 信阳 464000；3. 西安交通大学 航天航空学院 极端环境与防护技术联合研究中心， 陕西 西安 710049)

钛合金作为航空航天等领域的关键金属材料，具有比强度大、耐蚀性、耐热性好等优点，在航空航天等前沿领域具有广泛应用。然而随着实际服役环境的复杂变化，改善并优化钛合金的综合力学性能，一直都是国内外研究人员研究的重点，尤其是冲击载荷下钛合金材料的力学性能更加值得关注[1-2]。通常情况下对钛合金材料进行热处理可以有效改善其力学性能。钛合金主要的热处理方式包括退火、固溶、时效、化学热处理和形变热处理等。经过热处理后，钛合金的强度、硬度和塑性等力学性能指标均发生变化，不同的热处理工艺对钛合金的力学性能具有显著的影响。

现阶段，对于Ti-6Al-4V钛合金的热处理工艺研究主要集中在固溶处理和时效处理下材料的组织和力学性能变化。李辉等[3]研究了热处理对Ti-6Al-4V ELI合金显微组织和力学性能的影响，发现随着α+β两相区固溶温度的升高，合金强度升高，但伸长率下降。Peng等[4]发现在退火条件下钛合金强度和塑性随温度的变化呈相反趋势。吕逸帆等[5]研究了不同固溶时效工艺对Ti-6Al-4V ELI钛合金组织和性能的影响，结果发现提高固溶温度、增大固溶冷却速率、降低时效温度可以提高Ti-6Al-4V ELI钛合金的强度。徐坚等[6]发现当固溶温度一定时，随着时效温度的升高，Ti-6Al-4V ELI钛合金的强度逐渐降低，塑性逐渐升高。张豪胤等[7]发现在一定温度范围内，随着固溶温度的提高，合金的伸长率与抗拉强度均增加；随着时效温度的升高，伸长率逐渐上升，但是抗拉强度则下降。Ti-6Al-4V ELI钛合金的组织形态对其力学性能具有显著影响，不同的工艺下出现不同的显微组织形态会影响其力学性能[8-10]。由此可见，固溶时效处理对钛合金的力学性能影响显著，研究不同热处理工艺下Ti-6Al-4V ELI合金的准静态和动态力学性能具有重要意义。本文主要针对Ti-6Al-4V ELI钛合金，通过改变固溶处理和时效处理的温度，对其准静态拉伸性能和动态压缩性能进行研究，对比分析热处理工艺对钛合金准静态拉伸性能及其动态压缩性能的影响。

1 试验材料及方法

本文对直径为φ12.5 mm的Ti-6Al-4V ELI钛合金试棒进行固溶+时效处理，其化学成分(质量分数，%)为6.15Al、4.28V、0.20Fe、0.009C、0.010N、0.112O、0.30其他杂质元素，其余为Ti。利用箱式气氛炉进行热处理，通入高纯氩气保护钛合金试样在热处理过程中不被氧化，热处理工艺曲线如图1(a)所示，具体的热处理工艺参数如表1所示，固溶处理后采用水冷淬火，时效结束后随炉冷却。待热处理完成后，通过机械加工钛合金试棒，从试棒心部获得准静态拉伸试验和动态压缩试验的试样，拉伸试样尺寸如图1(b)所示，压缩试样尺寸为φ4 mm×3 mm。

表1 热处理工艺参数

图1 Ti-6Al-4V ELI钛合金的热处理工艺曲线(a)及拉伸试样的尺寸(b)Fig.1 Heat treatment process curve(a) and dimensions of tensile specimen(b) of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy

2 试验结果及分析

2.1 准静态拉伸性能

采用万能力学试验机表征Ti-6Al-4V ELI钛合金在不同热处理工艺下的准静态拉伸性能，参照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》开展准静态拉伸试验，加载速率为1 mm/min，数据采集频率为50 Hz，环境温度为室温20 ℃，每组试验至少重复3组。室温下不同热处理工艺的Ti-6Al-4V ELI钛合金准静态拉伸应力-应变曲线如图2所示，可以发现经过热处理后钛合金的准静态拉伸过程为典型金属材料的拉伸过程，首先为弹性阶段，经屈服后进入塑性变形阶段，直到最后发生失效断裂。

图2 经不同工艺固溶时效后Ti-6Al-4V ELI钛合金的拉伸应力-应变曲线Fig. 2 Tensile stress-strain curves of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy after different solution and aging treatments(a)工艺I (process I);(b)工艺Ⅱ(process Ⅱ);(c)工艺Ⅲ(process Ⅲ);(d)工艺Ⅳ(process Ⅳ)

图3对比了未经热处理的原材料和不同热处理工艺下Ti-6Al-4V ELI钛合金的拉伸性能指标，可以发现，热处理后钛合金的屈服强度和抗拉强度显著增强。对于热处理工艺I和II，Ti-6Al-4V ELI钛合金的屈服强度和抗拉强度虽有提升，但断后伸长率和断面收缩率显著降低，这极大削减了其综合力学性能。对于热处理工艺III和IV，特别是热处理工艺IV，Ti-6Al-4V ELI钛合金的屈服强度和抗拉强度显著提升，分别提升34.6%和22.2%，同时断后伸长率和断面收缩率均维持在较高水平，表现出良好的塑性。由此可见，热处理工艺III、IV，即固溶温度为941 ℃时，对Ti-6Al-4V ELI钛合金的综合力学性能具有显著提升作用。图4为Ti-6Al-4V ELI钛合金经工艺III热处理后的拉伸断口形貌，可以发现热处理后的Ti-6Al-4V ELI钛合金拉伸断口表现出较为明显的韧性断裂特征，因此呈现出良好的塑性。

图3 固溶时效处理前、后Ti-6Al-4V ELI钛合金的力学性能Fig.3 Mechanical properties before and after solution and aging treatment of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy

图4 经工艺III热处理后Ti-6Al-4V ELI钛合金的拉伸断口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy after heat treatment by process III

2.2 动态压缩性能

利用霍普金森压杆试验表征Ti-6Al-4V ELI钛合金在室温下的动态压缩性能，热处理前和热处理后(工艺III)Ti-6Al-4V ELI钛合金动态压缩应力-应变曲线如图5所示。可以发现，在不同的应变速率(1500、3000、4500 s-1)下，经过热处理的Ti-6Al-4V ELI钛合金在动态压缩试验中，动态压缩应力相比热处理前的应力水平显著提升，热处理对Ti-6Al-4V ELI钛合金的动态压缩性能提升显著。热处理前试样的应力随应变的增加逐渐增大，表现出应变硬化的特点。而随着应变的增加，热处理后Ti-6Al-4V ELI钛合金的应力水平基本维持在压缩强度的应力大小，直至进入失效阶段，应力开始随应变的增加而降低。

图5 经工艺III热处理前后Ti-6Al-4V ELI钛合金在不同应变速率下的动态压缩应力-应变曲线Fig.5 Dynamic compressive stress-strain curves at different strain rates of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy before and after heat treatment by process III (a) 1500 s-1; (b) 3000 s-1; (c) 4500 s-1

图6 经工艺III热处理前后Ti-6Al-4V ELI钛合金在不同应变速率下的压缩性能(a)动态压缩强度；(b)应变速率和动态压缩强度的关系Fig.6 Compressive properties at different strain rates of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy before and after heat treatment by process III(a) dynamic compressive strength; (b) relationship between strain rate and dynamic compressive strength

3 结论

1) Ti-6Al-4V ELI钛合金经固溶时效处理后(固溶温度941 ℃)，其屈服强度可达1097 MPa以上，抗拉强度可达1167 MPa以上，相比未经热处理的Ti-6Al-4V ELI钛合金(屈服强度815 MPa，抗拉强度955 MPa)，分别最大可提升34.6%和22.2%，同时塑性指标也维持在较高水平，其断后伸长率和断面收缩率分别在12.7%和42.7%以上。

2) 经过941 ℃固溶+时效处理后，Ti-6Al-4V ELI钛合金的动态压缩性能显著提升，动态压缩强度相比热处理前提升明显，最大可提升22.1%。动态压缩强度和应变速率的对数呈线性关系，且随着应变速率的增加而增大。