β單相區固溶溫度對Ti-55531合金組織及性能的影響

李澤東，黃朝文，陳林波，徐 楊，何 飛，李佳輝，辛社偉，趙永慶

(1.貴州大學 高性能金屬結構材料和制造技術國家聯合地方工程實驗室，貴州 貴陽 550025)(2.西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引 言

Ti-55531合金(名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr) 作為一種新型高強韌鈦合金，因能夠滿足新型航空結構件的高要求而得到廣泛關注[1-4]。Ti-55531合金的典型服役組織為雙態組織和片層組織[5]，其中片層組織的強韌性匹配優良[6-7]，既能保證一定的強度又能擁有比雙態組織更高的抗扭強度、斷裂韌性和抗裂紋擴展能力[8-10]。α相是高強韌鈦合金中最主要的強化相，其尺寸、含量和形貌等特征參數會顯著影響Ti-55531合金的性能[11-13]，因此掌握熱加工及熱處理工藝對α相組織參數的影響規律，對更好地調控Ti-55531合金組織及性能有很大幫助。鍛后工件的后續熱處理過程中， 固溶溫度對合金最終的組織類型有顯著影響，從而成為影響合金最終性能的關鍵工藝參數之一。

當前關于固溶溫度，尤其是單相區固溶溫度對Ti-55531合金片層組織中α相的析出行為及其對合金力學性能的影響規律報道很少，有關片層組織Ti-55531合金的組織和性能關系數據不完善，不利于該合金的結構設計及推廣應用。為此，本研究在相同的固溶保溫時間、冷卻方式和后續時效工藝下，改變相變點以上的固溶溫度，系統研究β單相區固溶溫度對合金片層組織中原始β晶粒尺寸、α片的組織參數及性能的影響，以期能夠為掌握該合金的組織-性能關系和工業生產過程中熱處理工藝的制定提供借鑒。

1 實 驗

實驗原料為西北有色金屬研究院提供的Ti-55531合金棒材。利用金相法測得該合金的相變點Tβ為(830±5)℃。根據相變點溫度，對合金分別進行830、860、880、900 ℃×2 h/AC固溶處理，然后進行相同的時效處理(600 ℃×6 h/AC)。根據國標《GB/T228.1—2010金屬材料拉伸試驗 第一部分 室溫拉伸》將熱處理后的試樣加工成標準拉伸試樣，采用Instron 9895萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，每種熱處理制度測試3組數據，以其平均值作為測量結果。采用蔡司 Axio Vert A1 光學顯微鏡和 JSM-6460、JSM-6700掃描電鏡觀察分析合金的顯微組織及拉伸斷口形貌，利用IPP圖像分析軟件統計分析β晶粒尺寸和α相長、寬等特征參數。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖1為Ti-55531合金經不同溫度固溶處理后的金相照片。表1為不同固溶溫度下合金組織中β晶粒尺寸的測量數據。由圖1和表1可知，隨著固溶溫度的上升，Ti-55531合金β晶粒尺寸逐漸變大。這是由于固溶溫度升高，加快了晶界遷移速率，使晶粒長大速度加快[14]。

圖2為Ti-55531合金經不同溫度固溶+時效熱處理后的SEM照片。表2為Ti-55531合金固溶+時效處理后組織中的α片尺寸。由圖2和表2可知，Ti-55531合金組織由α片與殘余β相排列成片層狀組織，部分晶界處有少許晶界α相。隨著固溶溫度

圖1 Ti-55531合金經不同溫度固溶處理后的金相照片Fig.1 Metallographs of Ti-55531 alloy treated at different solution temperatures：(a)830 ℃; (b)860 ℃; (c)880 ℃; (d)900 ℃

表1Ti-55531合金經不同溫度固溶處理后的β晶粒尺寸

Table 1 The β grain size of Ti-55531 alloy treated at different solution temperatures

的升高，經過時效處理后析出的α片長、寬及長寬比均先增大，在860 ℃達到最大值(α片的長和寬分別約為2.82 μm和0.146 μm，長寬比為19.32)，隨后逐漸減小。隨著固溶溫度的升高，合金析出了越來越多的α片，α片先逐漸粗化，再逐漸細化。由于固溶溫度在相變點以上，沒有了初生等軸α相對α片長大的阻礙，α片發生粗化[5]，但溫度過高，析出大量α片，排列越來越緊密，相互阻礙了彼此的長大，α片則得到細化。上述組織特征將會對合金的力學性能產生顯著影響。

圖2 Ti-55531合金經不同溫度固溶+時效處理后的SEM照片Fig.2 SEM microstructures of Ti-55531 alloy after solution and aging treatment at different solution temperatures： (a)830 ℃; (b)860 ℃; (c)880 ℃; (d)900 ℃

表2Ti-55531合金經不同溫度固溶+時效處理后組織中的α片尺寸

Table 2 The size of α phase plates of Ti-55531 alloy after solution and aging treatment at different solution temperatures

2.2 力學性能

圖3為Ti-55531 合金拉伸性能隨固溶溫度的變化曲線。由圖3可知，其他熱處理工藝參數相同時，當固溶溫度從830 ℃升高到880 ℃時，合金的力學性能均小幅降低，屈服強度(RP0.2)從1 146.5 MPa降到了1 103 MPa；抗拉強度(Rm)從1 239.5 MPa降到了1 188.5 MPa；伸長率(A)從9.35%降低到了9.25%；斷面收縮率(Z)從19.25%降低到了14%。當固溶溫度從880 ℃升高到900 ℃時，合金的屈服強度和抗拉強度分別從1 103 MPa和1 188.5 MPa降低到1 066.5 MPa和1 157 MPa；但塑性卻得到大幅提升，伸長率和斷面收縮率分別從9.25%和14%提升到10.25%和20.5%。

圖3 Ti-55531合金拉伸性能隨固溶溫度的變化曲線Fig.3 Curves of tensile properties of Ti-55531 alloy vs. solution temperatures

合金的組織決定其性能。由圖2及表2可知，在830～900 ℃之間，隨著固溶溫度上升，時效后基體上析出大量的α片，并且α片發生粗化，使Ti-55531 合金獲得較高的強度[15]。文獻[16]認為，α片厚度增加使合金的強度有所提升，但這一過程中還伴隨著β晶粒的長大，將導致合金強度降低。綜合來看，因β晶粒尺寸長大導致的合金強度的降低量大于α片引起的合金強度的增加量，所以在830～900 ℃的固溶溫度區間合金表現為強度降低。而由于細小片層組織比粗大片層組織更易旋轉變形，粗大片層更易被剪切斷裂，所以細小片層組織的塑性較粗大片層的好[1]，且細小的β晶粒也可使合金具有良好的塑性。在830～880 ℃之間固溶處理，由于α片隨著溫度上升而逐漸粗化，β晶粒長大，所以塑性表現為降低；在880～900 ℃之間由于單位體積中α片析出越來越多，相互阻礙了自身的粗化，造成了α片隨著溫度上升而細化的現象，因此塑性上升。

2.3 斷口分析

為了進一步研究α相對Ti-55531合金力學性能的影響，對固溶溫度分別為830、880、900 ℃時合金的拉伸斷口形貌進行了觀察分析，如圖4所示。固溶溫度為830 ℃時，斷口宏觀照片呈現部分剪切唇區(圖4a)，表明合金具有一定的塑性特征,而且還可以觀察到裂紋擴展的放射區。通過對斷口局部進一步放大，可觀察到大量韌窩、解理臺階和沿晶裂紋(圖4d)。因為在片層組織Ti-55531合金中存在的少量組織不均勻區容易使位錯堆疊產生應力集中，導致裂紋萌生，裂紋穿過晶界并在相鄰晶粒內擴展造成穿晶斷裂；晶界α處萌生的微裂紋沿晶界擴展形成長裂紋，導致沿晶開裂[17]。固溶溫度升高到880 ℃和900 ℃，可以觀察到更多的剪切唇(圖4b、c)，局部放大后可以發現韌窩、解理臺階和沿晶裂紋(圖4e、f)。

圖4 Ti-55531合金經不同溫度固溶+時效處理后的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphologies of Ti-55531 alloy after solution and aging treatment at different solution temperatures： (a, d) 830 ℃； (b, e) 880 ℃； (c, f) 900 ℃

圖5為Ti-55531合金經880 ℃固溶+時效處理后的拉伸斷口剖面圖。從圖5可以觀察到，Ti-55531 合金組織為均勻的片層組織，斷口剖面存在大量解理，因此裂紋的擴展過程比較曲折，說明片層狀α相能夠很好地阻礙裂紋擴展。另外，此溫度下固溶對應的β晶粒的尺寸較為粗大。文獻[18]認為，粗大的β晶粒有助于提高材料的抗裂紋擴展能力。綜合來看，Ti-55531合金具有良好的抗裂紋擴展能力。結合圖4可知，片層組織Ti-55531合金的拉伸斷裂失效以微孔聚集為主，沿晶開裂和穿晶斷裂并存的混合斷裂機制。

圖5 Ti-55531合金經880 ℃固溶+時效處理后的 拉伸斷口剖面圖Fig.5 Profile morphology of tensile fracture of Ti-55531 alloy after solution treatment at 800 ℃ and aging treatment

3 結 論

(1)Ti-55531合金在β單相區固溶，隨固溶溫度的升高，原始β晶粒尺寸增大；時效后析出片層α相，并且隨固溶溫度的升高逐漸粗化，直到880 ℃后開始細化。

(2)受α相和β晶粒相關參數的影響，固溶溫度在830～880 ℃之間時，隨著固溶溫度的升高，合金的拉伸強度和塑性均有所降低；固溶溫度在880～900 ℃之間時，隨著固溶溫度的升高，拉伸強度降低，但塑性升高。其中，固溶溫度為860 ℃時，合金強度-塑性匹配相對較好。

(3)片層組織Ti-55531合金的斷裂失效機制為以微孔聚集為主，沿晶開裂和穿晶斷裂并存的混合斷裂機制。