高強WSTi544221合金組織與性能研究

劉松良，樓美琪，侯峰起，王凱旋，孫 峰，李金山

(1. 海軍駐沈陽地區航空軍事代表室，遼寧 沈陽 110850)(2. 西部超導材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術國家地方聯合工程實驗室，陜西 西安 710018)(3.西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072)

0 引 言

鈦合金具有較高的比強度、良好的耐蝕性，并可在較高的溫度下服役，因此逐漸取代鋼材、鎳基合金等而被用于飛機框梁和發動機，成為制造飛機結構件的主要材料[1-4]。

為了防止不同結構材料間的電偶腐蝕并保持良好的連接狀態，鈦合金緊固件成為基體材料與各個部件連接的最佳選擇。緊固件用鈦合金材料主要分為3類：一類是具有較低Mo當量的α+β型兩相鈦合金，典型牌號為Ti-6Al-4V，可在400 ℃以下長期服役；第二類是臨界成分的α+β型兩相鈦合金，如俄羅斯的BT16(TC16)，具有良好冷鐓成形性，同時可熱處理強化；第三類是亞穩β型鈦合金，如美國的β-C(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)、Ti-15-3、Beta-CEZ和我國TB8等合金，主要用于制造高強鈦合金緊固件[5-7]。

WSTi544221合金是一種亞穩β型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-4Mo-4Zr-2Sn-2Cr-1Fe，與20世紀90年代法國研制成功的Beta-CEZ相近，并兼具了Ti-662-Zr合金的強度及韌性、Ti-17合金相對中等溫度下的抗蠕變能力和Ti1023合金的強度及熱處理敏感性。相比于Ti-662-Zr合金，WSTi544221合金在其基礎上采用Mo元素代替V元素，并添加了Cr、Fe元素，使β穩定元素含量接近臨界濃度，因此具有良好的熱處理敏感性和壓力加工性，并具有高的強度(抗拉強度1 300～1 700 MPa)和韌性[8-9]；相比于Ti-17合金，WSTi544221合金中Cr元素含量相對較低，大大降低了β斑的形成幾率，因此具有較優的綜合性能，尤其是疲勞性能。基于上述優異性能，WSTi544221合金可加工成鍛件、棒材和板材等產品，應用于航空壓氣機盤、彈簧和緊固件等[10]。目前公開發表的關于高強WSTi544221合金組織性能研究的文獻較少，為此，研究了不同變形量與熱處理制度對WSTi544221合金軋制棒材組織和力學性能的影響，以期為1 500 MPa級鈦合金緊固件的發展提供基礎數據。

1 實 驗

實驗原料為西部超導材料科技股份有限公司生產的φ50 mm的WSTi544221合金棒材，其化學成分見表1，相變點約為900 ℃。

表1WSTi544221合金的化學成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of WSTi544221 alloy

φ50 mm的WSTi544221合金棒材分別經一火次軋制為φ20、φ10、φ8 mm直條棒材，軋制變形量依次為84.0%、96.0%、97.4%。采用OLYMPUS GX-71金相顯微鏡分析3種不同規格WSTi544221合金棒材的加工態組織；采用Instron1251型萬能實驗機測試其室溫力學性能。

對φ10 mm的WSTi544221合金棒材進行熱處理，對比分析不同熱處理制度對棒材組織性能的影響，具體熱處理制度見表2。

表2WSTi544221合金棒材的熱處理制度

Table 2 Heat treatment processes of WSTi544221 alloy bar

2 結果與討論

2.1 軋制變形量對棒材組織和性能的影響

圖1為φ50 mm的WSTi544221合金棒坯經一火軋制后，不同軋制變形量的加工態棒材的橫、縱向顯微組織。由圖1可以看出，隨著變形量的增大，

圖1 不同軋制變形量的WSTi544221合金棒材的橫、縱向顯微組織 Fig.1 Microstructures of the as-rolled WSTi544221 alloy bars with different deformations：(a)φ20 mm-transversal； (b)φ20 mm-longitudinal；(c)φ10 mm-transversal；(d)φ10 mm-longitudinal;(e)φ8 mm-transversal；(f)φ8 mm-longitudinal

WSTi544221合金棒材橫向組織細化程度越來越高，平均晶粒尺寸由30 μm逐漸細化為10 μm；縱向組織逐漸呈現出拉長狀態，且破碎越來越充分。

對不同軋制變形量的WSTi544221合金棒材加工態的室溫力學性能進行測試，結果見圖2。由圖2可以看出，隨著熱軋變形量的增加，WSTi544221合金的抗拉強度和屈服強度呈升高趨勢，當變形量達到96.0%時，加工態抗拉強度達到1 400 MPa，而塑性波動不大；繼續增加變形量到97.4%時，棒材強度的提高幅度不明顯。

圖2 不同軋制變形量的加工態WSTi544221合金棒材的力學性能Fig.2 Mechanical properties of the as-rolled WSTi544221 alloy bars with different deformations

2.2 固溶溫度對棒材組織和性能的影響

圖3為φ10 mm的WSTi544221合金棒材經800 ℃×1 h/WQ和870 ℃×1 h/WQ固溶處理后的顯微組織。由圖3可以看出，經固溶處理后棒材的組織均勻性較加工態(圖1c、d)明顯改善，且隨著固溶溫度的升高，縱向組織中的α相明顯長大。

圖3 不同固溶處理后WSTi544221合金棒材的橫、縱向顯微組織Fig.3 Microstructures of the WSTi544221 alloy bars under different solution treatments：(a)1#-transversal; (b)1#-longitudinal;(c)2#-transversal ;(d)2#-longitudinal

表3為φ10 mm的WSTi544221合金棒材經800 ℃×1 h/WQ和870 ℃×1 h/WQ固溶處理后的室溫力學性能。隨著固溶溫度的提高，WSTi544221合金顯微組織中的α相顯著長大，棒材的強度明顯降低，抗拉強度約降低66 MPa，屈服強度約降低100 MPa，而塑性沒有明顯變化。

表3經不同固溶處理后WSTi544221合金棒材的室溫力學性能

Table 3 Mechanical properties of the WSTi544221 alloy bars under different solution treatments

2.3 直接時效處理對棒材組織和性能的影響

φ10 mm的WSTi544221合金棒材直接經520 ℃×6 h/AC和600 ℃×6 h/AC時效處理后的橫、縱向顯微組織如圖4所示。在較低的時效溫度下，α相(白色部分)尺寸較小且分布更為彌散。

圖4 經不同溫度時效處理后WSTi544221合金棒材的橫、縱向顯微組織Fig.4 Microstructures of the WSTi544221 alloy bars under different aging treatments：(a)3#-transversal;(b)3#-longitudinal;(c)4#-transversal;(d)4#-longitudinal

表4為φ10 mm的WSTi544221合金棒材直接經520 ℃×6 h/AC和600 ℃×6 h/AC時效處理后的室溫力學性能。隨著時效溫度的提高，棒材的延伸率提高約2.5%，斷面收縮率提高約9%，但抗拉強度較低。經520 ℃時效處理后，棒材的抗拉強度達到1 610 MPa，同時具有12%的延伸率和43%的斷面收縮率，達到良好的強度-塑性匹配。

表4經不同溫度時效處理后WSTi544221合金棒材的室溫力學性能

Table 4 Mechanical properties of the WSTi544221 alloy bars under different aging treatments

2.4 固溶時效對棒材組織和性能的影響

圖5為φ10 mm WSTi544221合金棒材按照5#～8#工藝方案，經固溶+時效處理后的橫、縱向顯微組織。由圖5可見，在相同的固溶溫度下，隨著時效溫度的提高，α相的尺寸變大；在相同的時效溫度下，隨著固溶溫度的提高，初生α相的含量逐漸減少。此外，固溶后經520 ℃×6 h/AC時效處理后，WSTi544221合金棒材縱向組織更為細小，α相分布更為彌散，如圖5a、b和圖5e、f；在相同的時效溫度下對比不同固溶溫度對組織的影響，發現經870 ℃×1 h/WC固溶處理的合金棒材其α相的溶解更加充分，固溶效果更好。

圖5 經不同固溶+時效處理后WSTi544221合金棒材的 橫、縱向顯微組織Fig.5 Microstructures of the WSTi544221 alloy bars under different solution and aging treatments: (a)5#-transversal; (b)5#-longitudinal;(c)6#-transversal; (d)6#-longitudinal; (e)7#-transversal; (f)7#-longitudinal; (g)8#-transversal ; (h)8#-longitudinal

表5為φ10 mm的WSTi544221合金棒材經不同固溶+時效處理后的室溫力學性能。

表5經不同固溶+時效處理后WSTi544221合金棒材的

室溫力學性能

Table 5 Mechanical properties of the WSTi544221 alloy bars under different solution and aging treatments

由表5可以看出，在相同的固溶溫度下，時效溫度越高，棒材的強度較低，塑性稍好；在相同的時效溫度下，固溶溫度越高，棒材的強度明顯提高，塑性略有降低。經7#工藝處理后，棒材的抗拉強度達到1 583 MPa，屈服強度達到1 500 MPa，同時保持較好的塑性。

3 結 論

(1)隨著軋制變形量的增大，WSTi544221合金棒材的組織細化程度越來越高，當變形量為97.4%時，平均晶粒尺寸達到10 μm。當變形量為96.0%，加工態棒材的抗拉強度可達到1 400 MPa，此時仍保持良好塑性。

(2)經固溶處理后，WSTi544221合金棒材的橫、縱向組織等軸化明顯，強度降低，塑性改善，固溶溫度提高，強度進一步降低，而塑性變化不明顯。

(3)軋制態棒材直接經520 ℃×6 h/AC時效處理后，抗拉強度可達1 610 MPa，屈服強度達到1 531 MPa，同時具有良好塑性，延伸率12.4%，斷面收縮率為43%。

(4)經870 ℃×1 h/WC+520 ℃×6 h/AC固溶+時效熱處理后，φ10 mm WSTi544221合金棒材可以獲得1 583 MPa的抗拉強度，延伸率和斷面收縮率保持在10%和40%以上。