固溶冷卻方式對Ti60鈦合金大規格棒材組織和力學性能的影響

覃佳棟　屠孝斌　劉繼雄　陳秉剛　李巍　張平輝　王鼎春　王清江

摘? 要：文章研究了四種固溶冷卻方式（空冷、風冷、油冷和水冷）對Ti60鈦合金顯微組織和室溫、高溫（600℃）力學性能的影響。結果表明：固溶冷卻速度的增加，會使初生α尺寸變小，含量降低。空冷的室溫拉伸強度為1009MPa，伸長率為13.5%;水冷的室溫拉伸強度為1186MPa，伸長率為11%。固溶冷卻速度的增加，室溫和高溫拉伸強度、熱穩定強度和蠕變性能提高，但室溫拉伸塑性和熱穩定塑性會明顯降低。這是由于不同固溶冷卻速度下初生α和次生α大小及含量差異造成的。

關鍵詞：Ti60;固溶冷卻方式;棒材;顯微組織;高溫力學性能

中圖分類號：TG166.5? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）06-0120-03

Abstract： The effects of four solid solution cooling methods（air cooling， wind cooling， oil cooling and water cooling） on the microstructure and mechanical properties of Ti60 titanium alloy at room temperature and high temperature （600 ℃） were studied. The results show that the size and content of primary α decrease with the increase of solution cooling rate. The tensile strength at room temperature of air cooling is 1009 MPa， and the elongation is 13.5%; the tensile strength at room temperature of water cooling is 1186 MPa， and the elongation is 11%. With the increase of solution cooling rate， the tensile strength， thermal stability strength and creep properties at room and high temperature increase， but the tensile plasticity and thermal stability plasticity at room temperature decrease obviously. This is due to the difference in the size and content of primary and secondary α at different solution cooling rates.

Keywords： Ti60; solution cooling method; bar; microstructure; high temperature mechanical properties

引言

鈦合金具有高的比強度、良好的高溫性能、優異的耐腐蝕性能、較好的疲勞性能，在航空航天領域得到了廣泛應用。

Ti60鈦合金是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si系多元復合強化的近α型高溫鈦合金，它集細晶強化、固溶強化和第二相（α2和硅化物）彌散強化于一身，具有優良的綜合性能，主要應用于航空發動機輪盤和葉片等部位，在工作溫度下具有較高的熱強性、抗氧化性和滿意的熱穩定性的良好匹配[1]。

羅文忠等人研究了在相變點附近固溶處理對Ti60合金組織及室溫、高溫拉伸性能的影響，雙態組織具有更好的強度和塑性的匹配[2]。賈蔚菊等人研究時效時間對Ti60合金組織及性能的影響，時效時間延長，析出物數量增加，合金強度變化不大，塑性明顯降低[3]。趙成成研究了熱處理制度對Ti60顯微組織和性能的影響，特別是時效時間和溫度對性能的影響[4]。而固溶處理冷卻方式對力學性能的影響研究較少。本文主要研究了固溶冷卻方式對Ti60鈦合金顯微組織和高溫力學性能的影響。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

鑄錠由寶雞鈦業股份有限公司真空自耗電弧爐三次熔煉而成，錠型φ694mm，其化學成分如表1所示。經測定鑄錠的α+β/β相轉變溫度為1037℃。

1.2 實驗方法

鑄錠經開坯、鍛造、機加至Φ300棒材，從棒材上取樣，棒材的熱鍛顯微組織如圖1所示，在棒材上截取樣片，分別選用不同的固溶時效制度對樣片進行熱處理，具體制度見表2。

樣片經固溶時效處理后，在樣片上取樣并進行顯微組織、室溫拉伸、600℃高溫拉伸、熱穩定（600℃/100h）和蠕變（600℃/440MPa/0.5h）性能檢測，研究不同固溶冷卻方式對Ti60合金棒材室溫、高溫（600℃）力學性能和顯微組織的影響。

2 實驗結果與分析

2.1 固溶冷卻制度對顯微組織的影響

圖2為Ti60合金棒材經不同固溶時效制度處理后的顯微組織。可以看出隨著冷卻速度的增加，初生α的尺寸變小，初生α相含量減少，水冷所得組織中初生α相含量最低（約為15%）、尺寸最小（約20μm），空冷組織中初生α相含量最高（約為45%）、尺寸最大（約40μm）。這是因為隨著冷卻速率增加，原子來不及擴散，初生α相不能夠充分聚集長大，淬火后保留下來的缺陷相對較多，更容易發生非均勻形核，但原子擴散不充分，次生相來不及長大，所以在水冷條件下，初生α相為條狀或針狀，而且析出的次生α相明顯減少，且形態細小。

2.2 固溶冷卻方式對拉伸性能的影響

2.2.1 固溶冷卻方式對拉伸性能的影響

圖3是經過不同的固溶時效熱處理后，Ti60合金棒材的室溫拉伸性能和600℃高溫拉伸性能結果。

由圖3可以看出，固溶冷卻方式對拉伸強度有明顯影響，水冷后的強度在室溫、600℃下都明顯高于其它三種，油冷和風冷差距不大，空冷最低。這是因為采用較快的固溶冷卻方式（如水冷）能夠保留大量的亞穩β相，在后續時效過程中這些亞穩β相能分解析出大量細針α，從而提高合金的抗拉強度。

2.2.2 固溶冷卻方式對熱穩定的影響

圖4是經過不同的固溶時效熱處理后，Ti60合金棒材的熱穩定（600℃/100h）性能結果。

由圖4可以看出固溶冷卻方式對熱穩定強度的影響與對拉伸強度的影響類似，主要原因都是較快的固溶冷卻方式（如水冷）在后續的時效中能析出細小彌散的初生α及大量的細針α，提高了合金強度。從圖3和圖4也可以看出水冷的強度明顯高于其它三種冷卻方式，從中可以推測出水冷的冷卻速度要比其它三種冷卻方式快得多。從圖4可以看出在水冷的塑性明顯低于其它三種冷卻方式，相關文獻表明[5]，塑性下降的程度與合金的初生α相含量相關，初生α相含量越少，塑性降低程度越大。這與本文的結果是相符合的。

2.2.3 固溶冷卻方式對蠕變性能的影響

圖5是經過不同的固溶時效熱處理后，Ti60合金棒材的蠕變（600℃/440MPa/0.5h）性能結果。

從圖5中可以看出，空冷的蠕變性能最差，隨著冷卻速度的增加，蠕變性能也隨之提高，相關文獻表明隨著高溫鈦合金中等軸初生α相含量的增加，合金的抗蠕變性能逐漸下降[6]，由于冷卻速度越快，初生α含量越低，因此蠕變性能提高。

3 結論

（1）固溶冷卻速度增加，會使Ti60合金棒材初生α尺寸變小，含量降低，并使次生α相更加細小。

（2）固溶冷卻速度增加，能明顯提高Ti60合金棒材的室溫和600℃高溫拉伸強度，但室溫拉伸塑性會明顯降低，對600℃高溫拉伸塑性影響較小。

（3）固溶冷卻速度增加，有利于提高熱穩定（600℃/100h）強度。而熱穩定塑性會隨著固溶冷卻速度增加而降低。

（4）固溶冷卻速度增加，有利于提高蠕變性能。

參考文獻：

[1]魏壽庸.600℃時高溫鈦合金（Ti60）的組織和力學性能[J].中國有色金屬學報，2010，10（20）：801-806.

[2]羅文忠.固溶處理對Ti60合金組織及拉伸性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2010，17（12）：3967-3971.

[3]賈蔚菊.熱處理對Ti60合金組織及性能的影響[J].中國有色金屬學報，2010，11（11）：2136-2141.

[4]趙成成.熱處理制度對Ti60顯微組織和性能的影響[J].裝備制造，2013，03（3）：102-106.

[5]段銳.初生α相含量對近α鈦合金TG6拉伸性能和熱穩定性的影響[J].航空材料學報，2007，06（3）：17-22.

[6]王敏敏.影響鈦合金蠕變行為的因素分析[J].稀有金屬材料與工程，2002，04（2）：135-139.