固溶轉移時間對TC4鈦合金強度的影響研究

樊開倫 劉文成 劉勇德 裴烈勇 戴愛麗

摘 要：合金主要在退火狀態下使用，也可以采用固溶時效處理進行一定的強化。固溶時效工藝參數的選取對強化效果的影響非常重要，其中固溶轉移時間長短直接影響固溶效果的好壞，從而影響時效沉淀強化效果。因此，本文通過6組試驗，研究幾種不同的固溶轉移時間對合金強度的影響。

關鍵詞：固溶轉移;TC4鈦合金;強度

中圖分類號：TG166 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0079-01

TC4合金是一種中等強度的α+β型兩相鈦合金，含有6%α穩定元素Al和4%β穩定元素V。是我國為仿制美系航空器而試制的兩相鈦合金，相當于美系鈦合金牌號Ti-6Al-4V。該合金具有優異的綜合性能，在航空和航天工業中獲得了最廣泛的應用。合金長時間工作溫度可達400℃，在航空工業中主要用于制造發動機的風扇、螺栓、壓氣機盤及葉片以及飛機結構中的梁、接頭和隔壁框等重要承力構件[1-2]。TC4鈦合金的主要半成品是棒材、鍛件、厚板、薄板、型材和絲材等。

1試驗

本試驗原材料為真空自耗電弧爐煉生產的TC4鈦合金棒材，規格為φ8.5mm、執行標準GJB2219-94。合金化學成分見表1，等同于美系材料Ti-6Al-4V。

試驗使用的設備有馬弗爐、真空回火爐、數控車床、滾絲機、拉伸試驗機。所有試驗TC4棒料進行表面涂覆保護，固溶采用馬弗爐加熱，固溶參數955℃×1.5h，固溶結束后轉移至流動水中進行淬火，固溶轉移時間見表2。所有試驗時效采用真空回火爐同爐進行時效，時效參數540℃×4h，時效結束后充氣冷卻。試驗結束后各組材料均制造成標準拉伸試樣進行拉伸試驗檢測，拉伸試樣見圖1。

2試驗結果與分析

（1）試驗結果：不同固溶轉移時間下TC4拉伸試驗數據平均值見表3，各組試驗數據平均值變化曲線見圖2。結果表明，隨著固溶轉移時間的延遲，合金強度逐漸降低，塑性略有升高。

（2）分析討論。TC4合金中鋁是基本元素，可以保證合金在常溫及高溫下的性能。釩作為β同晶型元素，賦予了TC4合金熱處理強化的能力。因此，TC4鈦合金在兩相區淬火+時效后其強度有明顯提升。GJB2219-94中規定TC4經固溶（955℃±15℃，1h～2h，流水中冷卻）+時效（540℃±8℃，4h～8h，空冷）其性能可達σb≥1100MPa、σ0.2≥1000MPa、δ≥10、Ψ≥20。然而在實際生產中，由于設備等原因導致按標準制度熱處理后其強度指標常不合格。我們都知道，材料的化學成分決定材料的組織，材料的組織決定材料的性能。熱處理就是為了改變材料內部組織提升材料使用性能的熱加工工藝。根據TC4有關研究資料，TC4合金淬火轉移速度對強度的影響是主要的。TC4固溶后β馬氏體轉變組織α′相含量越高，時效后合金強度就越高。如圖3所示，一方面，隨著淬火時間的延長，從β相中析出了二次α相，使得β相飽和度降低，淬火轉變組織α′馬氏體含量減少，基體中的α相含量增多，導致時效后合金強度降低，塑性升高;另一方面，馬氏體轉變點Ms隨著淬火時間的延長而降低，引起β轉變不完全程度增加，導致β淬火轉變組織α′馬氏體的量減少，最終導致時效后合金強度降低、塑性提高。總之，隨著固溶轉移時間的延長，實際固溶溫度與名義固溶溫度的差值越大，這不僅會有二次α相的不斷析出，而且β相的馬氏體轉變程度越不完全，最終導致時效后強度降低，塑性提高。因此，固溶轉移時間的長短決定了TC4合金固溶效果的好壞，從而決定了時效后TC4強度的高低。

3結語

通過六組不同固溶轉移時間對比試驗，得出TC4合金的強度隨固溶轉移時間的延長而降低，塑性隨固溶轉移時間的延長而升高。保證TC4合金強度指標的關鍵因素在于控制好固溶轉移時間，越短越好。對于強度等級σb≥1100MPa的TC4鈦合金，建議固溶轉移時間不超過3s。

參考文獻

[1] 《工程材料實用手冊》編輯委員會.鈦合金 銅合金-工程材料實用手冊第2版[M].北京：中國標準出版社，2002.

[2] 張翥，王群驕，莫畏.鈦的金屬學和熱處理[M].北京：冶金工業出版社，2009.