固溶時效處理對Ti-6Al-4V ELI鈦合金準靜態和動態力學性能的影響

高學敏， 王 晗， 王可迪， 何宇鵬， 程東松

(1. 河南省緊固連接技術重點實驗室， 河南 信陽 464000；2. 河南航天精工制造有限公司， 河南 信陽 464000；3. 西安交通大學 航天航空學院 極端環境與防護技術聯合研究中心， 陜西 西安 710049)

鈦合金作為航空航天等領域的關鍵金屬材料，具有比強度大、耐蝕性、耐熱性好等優點，在航空航天等前沿領域具有廣泛應用。然而隨著實際服役環境的復雜變化，改善并優化鈦合金的綜合力學性能，一直都是國內外研究人員研究的重點，尤其是沖擊載荷下鈦合金材料的力學性能更加值得關注[1-2]。通常情況下對鈦合金材料進行熱處理可以有效改善其力學性能。鈦合金主要的熱處理方式包括退火、固溶、時效、化學熱處理和形變熱處理等。經過熱處理后，鈦合金的強度、硬度和塑性等力學性能指標均發生變化，不同的熱處理工藝對鈦合金的力學性能具有顯著的影響。

現階段，對于Ti-6Al-4V鈦合金的熱處理工藝研究主要集中在固溶處理和時效處理下材料的組織和力學性能變化。李輝等[3]研究了熱處理對Ti-6Al-4V ELI合金顯微組織和力學性能的影響，發現隨著α+β兩相區固溶溫度的升高，合金強度升高，但伸長率下降。Peng等[4]發現在退火條件下鈦合金強度和塑性隨溫度的變化呈相反趨勢。呂逸帆等[5]研究了不同固溶時效工藝對Ti-6Al-4V ELI鈦合金組織和性能的影響，結果發現提高固溶溫度、增大固溶冷卻速率、降低時效溫度可以提高Ti-6Al-4V ELI鈦合金的強度。徐堅等[6]發現當固溶溫度一定時，隨著時效溫度的升高，Ti-6Al-4V ELI鈦合金的強度逐漸降低，塑性逐漸升高。張豪胤等[7]發現在一定溫度范圍內，隨著固溶溫度的提高，合金的伸長率與抗拉強度均增加；隨著時效溫度的升高，伸長率逐漸上升，但是抗拉強度則下降。Ti-6Al-4V ELI鈦合金的組織形態對其力學性能具有顯著影響，不同的工藝下出現不同的顯微組織形態會影響其力學性能[8-10]。由此可見，固溶時效處理對鈦合金的力學性能影響顯著，研究不同熱處理工藝下Ti-6Al-4V ELI合金的準靜態和動態力學性能具有重要意義。本文主要針對Ti-6Al-4V ELI鈦合金，通過改變固溶處理和時效處理的溫度，對其準靜態拉伸性能和動態壓縮性能進行研究，對比分析熱處理工藝對鈦合金準靜態拉伸性能及其動態壓縮性能的影響。

1 試驗材料及方法

本文對直徑為φ12.5 mm的Ti-6Al-4V ELI鈦合金試棒進行固溶+時效處理，其化學成分(質量分數，%)為6.15Al、4.28V、0.20Fe、0.009C、0.010N、0.112O、0.30其他雜質元素，其余為Ti。利用箱式氣氛爐進行熱處理，通入高純氬氣保護鈦合金試樣在熱處理過程中不被氧化，熱處理工藝曲線如圖1(a)所示，具體的熱處理工藝參數如表1所示，固溶處理后采用水冷淬火，時效結束后隨爐冷卻。待熱處理完成后，通過機械加工鈦合金試棒，從試棒心部獲得準靜態拉伸試驗和動態壓縮試驗的試樣，拉伸試樣尺寸如圖1(b)所示，壓縮試樣尺寸為φ4 mm×3 mm。

表1 熱處理工藝參數

圖1 Ti-6Al-4V ELI鈦合金的熱處理工藝曲線(a)及拉伸試樣的尺寸(b)Fig.1 Heat treatment process curve(a) and dimensions of tensile specimen(b) of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy

2 試驗結果及分析

2.1 準靜態拉伸性能

采用萬能力學試驗機表征Ti-6Al-4V ELI鈦合金在不同熱處理工藝下的準靜態拉伸性能，參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》開展準靜態拉伸試驗，加載速率為1 mm/min，數據采集頻率為50 Hz，環境溫度為室溫20 ℃，每組試驗至少重復3組。室溫下不同熱處理工藝的Ti-6Al-4V ELI鈦合金準靜態拉伸應力-應變曲線如圖2所示，可以發現經過熱處理后鈦合金的準靜態拉伸過程為典型金屬材料的拉伸過程，首先為彈性階段，經屈服后進入塑性變形階段，直到最后發生失效斷裂。

圖2 經不同工藝固溶時效后Ti-6Al-4V ELI鈦合金的拉伸應力-應變曲線Fig. 2 Tensile stress-strain curves of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy after different solution and aging treatments(a)工藝I (process I);(b)工藝Ⅱ(process Ⅱ);(c)工藝Ⅲ(process Ⅲ);(d)工藝Ⅳ(process Ⅳ)

圖3對比了未經熱處理的原材料和不同熱處理工藝下Ti-6Al-4V ELI鈦合金的拉伸性能指標，可以發現，熱處理后鈦合金的屈服強度和抗拉強度顯著增強。對于熱處理工藝I和II，Ti-6Al-4V ELI鈦合金的屈服強度和抗拉強度雖有提升，但斷后伸長率和斷面收縮率顯著降低，這極大削減了其綜合力學性能。對于熱處理工藝III和IV，特別是熱處理工藝IV，Ti-6Al-4V ELI鈦合金的屈服強度和抗拉強度顯著提升，分別提升34.6%和22.2%，同時斷后伸長率和斷面收縮率均維持在較高水平，表現出良好的塑性。由此可見，熱處理工藝III、IV，即固溶溫度為941 ℃時，對Ti-6Al-4V ELI鈦合金的綜合力學性能具有顯著提升作用。圖4為Ti-6Al-4V ELI鈦合金經工藝III熱處理后的拉伸斷口形貌，可以發現熱處理后的Ti-6Al-4V ELI鈦合金拉伸斷口表現出較為明顯的韌性斷裂特征，因此呈現出良好的塑性。

圖3 固溶時效處理前、后Ti-6Al-4V ELI鈦合金的力學性能Fig.3 Mechanical properties before and after solution and aging treatment of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy

圖4 經工藝III熱處理后Ti-6Al-4V ELI鈦合金的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology of the Ti-6Al-4V ELI titanium alloy after heat treatment by process III

2.2 動態壓縮性能

利用霍普金森壓桿試驗表征Ti-6Al-4V ELI鈦合金在室溫下的動態壓縮性能，熱處理前和熱處理后(工藝III)Ti-6Al-4V ELI鈦合金動態壓縮應力-應變曲線如圖5所示。可以發現，在不同的應變速率(1500、3000、4500 s-1)下，經過熱處理的Ti-6Al-4V ELI鈦合金在動態壓縮試驗中，動態壓縮應力相比熱處理前的應力水平顯著提升，熱處理對Ti-6Al-4V ELI鈦合金的動態壓縮性能提升顯著。熱處理前試樣的應力隨應變的增加逐漸增大，表現出應變硬化的特點。而隨著應變的增加，熱處理后Ti-6Al-4V ELI鈦合金的應力水平基本維持在壓縮強度的應力大小，直至進入失效階段，應力開始隨應變的增加而降低。

圖5 經工藝III熱處理前后Ti-6Al-4V ELI鈦合金在不同應變速率下的動態壓縮應力-應變曲線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

圖6 經工藝III熱處理前后Ti-6Al-4V ELI鈦合金在不同應變速率下的壓縮性能(a)動態壓縮強度；(b)應變速率和動態壓縮強度的關系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 結論

1) Ti-6Al-4V ELI鈦合金經固溶時效處理后(固溶溫度941 ℃)，其屈服強度可達1097 MPa以上，抗拉強度可達1167 MPa以上，相比未經熱處理的Ti-6Al-4V ELI鈦合金(屈服強度815 MPa，抗拉強度955 MPa)，分別最大可提升34.6%和22.2%，同時塑性指標也維持在較高水平，其斷后伸長率和斷面收縮率分別在12.7%和42.7%以上。

2) 經過941 ℃固溶+時效處理后，Ti-6Al-4V ELI鈦合金的動態壓縮性能顯著提升，動態壓縮強度相比熱處理前提升明顯，最大可提升22.1%。動態壓縮強度和應變速率的對數呈線性關系，且隨著應變速率的增加而增大。