不同冷卻方式對鈦合金組織和性能的影響

肖子凡 邵 旭 王 闖 張一堃 張學萍

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金的熱強度和加工性能處于α單相和β單相鈦合金之間，具有良好的力學性能[1，2]和淬透性[3-5]。鈦合金的強度及硬度與冷卻方式有著密切的關系，不同的冷卻速度能夠使鈦合金獲得不同的組織形貌和表面硬度。

1 實驗材料及方法

實驗原料是Ti-6Al-4V板材。將試驗材料在箱式電阻爐中以1100℃保溫2小時，分別采用油冷、水冷、爐冷和空冷等四種不同的方式冷卻至室溫。將冷卻后的板材按要求切割成試樣，用維氏硬度計進行硬度測量，利用金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

2 實驗結果與討論

2.1 金相組織

圖1a為爐冷顯微組織，呈片狀α相和β相晶界，在緩慢冷卻條件下，隨著溫度的緩慢降低組織變粗大，同時晶內片狀α相長且寬，其組織粗化，出現粗大魏氏組織、網籃組織特征；圖1b為空冷組織，基體呈細條α相和β相晶界，冷速比爐冷稍快，條或片相對細薄，晶界明顯，晶內沿一定方向析出的相互平行的條狀α相，縱橫交錯，生長方向由于其它α相的存在而受到抑制；圖1c為油冷組織，冷卻時有一定過冷度，基體也是相互平行比空冷略細的細條或少量針狀α相和β相晶界，與空冷組織相似，個別α相片層區間生成少量針狀馬氏體；圖1d為水冷組織，呈細針狀α＇相和β相晶界。由于冷卻速率較快，有使得α相成長的條件，保留更多的穩定的α相和β相，其抗斷裂強度得到提升。冷卻速率最高的形成的針狀次生α＇相最多，最緊密，該金屬的性能相對最好，這點可以推斷出水冷的處理效果最好。

2.2 冷卻方式對硬度的影響

經過不同冷卻速度的試樣表面硬度有所不同。爐冷、空冷、油冷和水冷后試樣的表面維氏硬度分別為306、327、331和352HV。爐冷淬火最慢，時間長，得到粗條狀較軟魏氏組織，試樣表面硬度最低。水冷淬火冷卻速度最快，得到較硬α'馬氏體，硬度最高，可達352HV。

3 結論

爐冷試樣出現粗大魏氏組織、網籃組織特征。空冷試樣晶內沿一定方向析出的相互平行的條狀α相。油冷試樣個別α相片層區間生成少量針狀馬氏體。水冷試樣組織呈細針狀α＇相和β相晶界。水冷淬火冷卻速度最快，得到較硬α'馬氏體，硬度最高，可達352HV。