固溶時效對Ti-662合金組織和力學性能的影響

高生輝 楊娜 楊嘉珞 朱接柱

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

0 引言

鈦及鈦合金具有優良的力學性能以及良好的生物相容性，廣泛應用于航天航空、船舶、石油、醫療器械等行業。在TC4 鈦合金基礎上添加更多的β 穩定劑研制出名義成分為Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe的高強度α＋β 型鈦合金，其強度和淬透性有明顯的提高該[1-3]。合金還具有優異的耐蝕性能，在海水或石油介質中工作，其抗腐蝕能力高于1Cr18Ni9Ti，特別是對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。因此，Ti-662 合金在航海、石油勘測領域有廣闊的前景[3-4]。

Ti-662 合金具有熱處理強化效應，組織與性能對熱處理制度敏感，一般以退火態使用，還可以通過固溶時效處理獲得更高的強度[5-7]。研究熱處理制度對其組織與性能的影響規律，對Ti-662 合金實際應用具有指導作用，從而擴大該合金應用范圍具有重要意義[8]。本文以Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe 鍛棒為研究對象，針對固溶時效參數對Ti-662 合金組織和力學性能的影響規律展開研究，以期獲得該合金最佳固溶時效處理制度，為生產工藝提供試驗數據參考。

1 實驗

實驗以新疆湘潤新材料科技有限公司生產的φ 110 mm 的Ti-662 鈦合金棒材為研究對象，其化學成分見表1，符合GB/T3620.1-2016 鈦及鈦合金牌號和化學成分要求，用金相法測得其相變點為952℃。原始組織為雙態組織，既存在初生α，又存在片層狀α的顯微組織，見圖1。測得其維氏硬度為353HV5、Rm1075MPa、Rp0.2968MPa。

表1 Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe合金棒材化學成分

圖1 Ti-662合金棒材原始組織

固態相變是鈦合金組織和性能發生改變的重要特征，在設計實驗時以固溶溫度、冷卻方式及時效溫度為控制變量，采用電火花線切割15*15*70mm的10組橫向樣品用于拉伸試驗，并在同一部位切割10*10*15mm 用于顯微組織觀察的金相樣品，做好標記后用CMF 12/65 馬弗爐進行固溶時效處理。試樣固溶時效熱處理工藝參數見表2。所有金相試樣經熱處理后用車床車去2mm 氧化皮后打磨拋光，采用Kroll 試劑腐蝕。用ICX41M 型光學顯微鏡觀察顯微組織，并用JY100金相分析軟件測量初生α含量。采用310HVS-5 型維氏硬度計和CMT-5205 型電子萬能試驗機分別進行維氏硬度測試和拉伸測試，拉伸試樣用GB/T 228.1-2010 中R7 試樣，拉伸第一速率0.3mm/min，第二速率為4.5mm/min。

表2 試驗固溶時效熱處理工藝參數

2 結果與分析

2.1 實驗結果

對上述熱處理制度后的Ti-662合金進行室溫拉伸測試，實驗結果如表3所示。以固溶溫度為變量研究時，在840-900℃溫度范圍內隨著固溶溫度升高，Ti-662 合金抗拉強度、屈服強度明顯提高，塑性指標下降，硬度在880℃時達到最高，隨后下降。以時效溫度為變量研究時，在520-580℃溫度范圍內隨著時效溫度升高，其抗拉強度、屈服強度降低，但塑性指標上升顯著，在580℃時達到最高，硬度隨時效溫度升高而降低。

表3 不同熱處理制度后Ti-662合金力學性能

以冷卻方式為變量研究時，油冷淬火和水冷淬火對其硬度產生了較大的影響，其他性能影響非常小。而采用空冷時，強度和硬度都明顯低于水冷和油冷，塑性方面差異很小。通過比較極差發現，在固溶溫度改變時其抗拉強度極差最大和屈服強度極差最大，分別為214 和206，因此固溶溫度對其強度的影響較大，其次是冷卻方式，最后是時效溫度；在時效溫度改變時斷后伸長率和斷面收縮率極差最大，分別為5 和15，因此時效溫度對其塑性影響效果最為顯著。

2.2 固溶溫度對顯微組織和力學性能影響

圖2 為Ti-662 合金分別在840、860、880、900℃固溶1.5h，并于540℃下時效4h 后的顯微組織照片。由圖2可知，不同溫度固溶處理后顯微組織為等軸和拉長的初生α 相、次生α 相和β 基體組成。隨著固溶溫度升高，初生α 含量由840℃時的33.6%降低到900℃時13.6%，初生α 含量與固溶溫度有關，隨著溫度升高，初生α 相脫溶至基體，發生α→β 的轉變，在隨后快冷時發生β→α′的轉變導致α′含量變高[8]，時效發生不穩定相分解后新生成的細小針狀次生α 相隱藏在β 基體內，與位錯交互作用使得合金發生強化，抗拉強度由840℃時1352MPa 提升至900℃時1566MPa，硬度也相應提升。此外針狀次生α 相數量增加，容易在針狀尖角處應力集中而導致合金的塑性下降，Z 由17% 下降 到10%，A 由7.0%下降到3.0%。

圖2 Ti-662合金不同固溶溫度后經540℃時效處理后顯微組織

2.3 冷卻方式對顯微組織和力學性能的影響

圖3 為Ti-662 合金分別在880℃/1.5h 水冷、空冷和油冷，并于540℃下時效4h后的顯微組織照片。由圖3 可知，冷卻速度對初生α 含量基本無影響，都保持在20%附近，在880℃兩相區空冷時，由于冷卻速度緩慢合金中的初生α 尺寸較WQ 和OQ 時變大，片層βT變厚，時效過程再次空冷起到穩定組織作用，見圖3b。在WQ 和OQ 條件下冷卻速度較快，相變機制一致，合金的強度和塑性指標相差不大，但采用WQ時硬度為458HV5，OQ 時硬度值為420HV5，所以WQ淬透性強于OQ?？紤]到實際生產中OQ 操作復雜、后續處理繁瑣，對比發現Ti-662 合金固溶時宜采用水冷處理。

圖3 Ti-662合金不同冷卻方式后經540℃時效處理后顯微組織

2.4 時效溫度對顯微組織和力學性能的影響

圖4 為Ti-662 合金分別在880℃/1.5h 水冷，分別于520、540、560、580℃下時效4h后的顯微組織照片。時效處理后顯微組織為初生α 相、次生α 相和β 基體組成，β 基體上彌散分布次生針狀α相。初生α 含量都在20%附近，因此時效溫度對初生α 含量影響較小。圖4a 到圖4d 中隨著溫度提高，次生α 相析出驅動力增加[9-10]，次生α含量逐漸增加，且有變厚的發展趨勢，因此圖4d中β基體更為清楚。由于細小α相長寬比發生變化，與位錯交互作用效果隨之改變，在580℃時效長寬比最小，因此阻礙位錯運動能力減弱，與520℃時效相比其抗拉強度下降了185MPa，屈服強度下降128MPa，硬度也呈下降趨勢。次生α 長大相應的降低了應力集中程度，合金的塑性明顯提升，580℃時效后A和Z達到最高分別為8.0%和21%。

圖4 Ti-662合金880℃固溶處理后不同時效溫度處理后顯微組織

3 結論

（1）固溶溫度對Ti-662 合金強度的影響最大，其次是冷卻速度；時效溫度對其塑性影響最大。

（2）隨著固溶溫度提高，Ti-662合金抗拉強度和屈服強度都提高，塑性下降；隨著時效溫度提高，合金強度降低，塑性提高。

（3）Ti-662合金固溶水冷比油冷硬度高，強度和塑性基本一致，水冷在實際生產中也更方便環保。

（4）Ti-662合金適宜在860-880℃范圍內固溶處理，560-580℃范圍內時效處理，可以獲得優異的綜合性能。