熱處理對Ti-5111合金的微觀組織及磨損性能的影響

＊楊哲昊 孫麗 呂凱 林冠堅 白亮

（內蒙古工業大學材料科學與工程學院 內蒙古 010051）

鈦及鈦合金是20世紀50年代發展起來的輕質結構材料，具有高比強、剛度、耐腐蝕、無磁、可焊接、生物相容性好、良好的抗疲勞和抗蠕變等綜合性能，可廣泛應用于航空航天、石油化工、核工業、生物醫療等領域[1-5]，被譽為“第三金屬”“戰略金屬”“海洋金屬”[6-7]。

Ti-5111（Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si）合金是20世紀80年代末期由美國TIMETAL公司與海軍水面作戰中心共同開發的低成本近α鈦合金[8]，具有良好的斷裂韌性及抗應力腐蝕性能，優于船用鈦合金48-OT3（Ti-4Al-0.005B），與Ti-6211（Ti-6Al-2V-1Nb-1Ta）相當[9]，能滿足深潛器對材料屈服強度的要求（≥690MPa）。Ti-5111合金的沖擊韌性為TC4的3倍，兼具高延性（δ≥13%）、良好的焊接性、優異的室溫抗蠕變性能等特點，將代替Ti-6Al-4V ELI合金廣泛應用于艦船制造，尤其被用于制備結構件和緊固件[10-12]。2002年Ti-5111合金首先在新型潛艇通信桅桿上投入使用，陸續已在30艘潛艇上應用，之后又擴大到美TBD轟炸機等結構件上應用[11-13]。美國海軍水面作戰中心用鎢極氣保焊制成厚度為25.4mm和51mm的Ti-5111焊件，對其在海洋環境中的使用性能進行了全面評價[14-15]。目前，TIMETAL公司已實現了Ti-5111合金板、棒、條及鑄、鍛件的規模生產[8]。

TIMETAL公司在Ti-5111合金中添加0.05% Pd提高了其耐縫隙腐蝕性[8]。內蒙古工業大學呂凱教授為了提高Ti-5111合金的耐腐蝕性能，采用微弧氧化法在合金表面制備了含ZrO2的氧化膜，含ZrO2濃度為1.00g/L的氧化膜的阻抗值最大，當ZrO2濃度為1.25g/L的腐蝕電位最高，腐蝕電流密度最小[16]。采用共生沉積工藝并通過高溫作用使W粉擴散進入表面微弧氧化層內，可提高Ti-5111合金的耐磨性能[17]。

然而，關于Ti-5111合金在不同熱處理條件下的微觀組織演變規律的報道較少。本文以鑄態Ti-5111合金為研究對象，分析熱處理工藝對其微觀組織、相結構、顯微硬度與耐磨性的影響規律，期望將該合金推廣應用于煤化工、石油化工等領域。

1.試驗及方法

采用表1的工藝對鑄態Ti-5111合金進行熱處理，采用OM、XRD分析合金的微觀組織和相結構，并測試合金的顯微硬度，每個試樣測試5個點，然后取平均值作為顯微硬度值。利用摩擦磨損試驗機進行耐磨性試驗（每次磨損5min，載荷20N，轉速200r/min，摩擦副為400#金相砂紙）。

2.結果與討論

(1)微觀組織及相結構

Ti-5111合金熱處理后的微觀組織如圖1所示。可以看出，鑄態合金的晶粒較粗大、大小不一，由初生α相（多）和轉變β相（少）組成圖1（a）。經1#工藝處理后，晶粒明顯細化，且較均勻，β組織全部消失，α相含量顯著降低圖1（b）。經過2#工藝處理后，晶粒進一步細化，析出了β相，α相在β相上呈條塊狀分布且大小不一，α相的體積分數比β相大圖1（c）。經過3#工藝處理后，晶粒繼續得到細化，組織為α和β相，且α相為主圖1（d）。

圖2 Ti-5111合金經不同熱處理后的相結構

綜合分析圖1可知：（1）熱處理溫度逐漸接近相變點（950℃）前，初生α相含量不斷減少，轉變β相含量逐漸降低，在相變點以下10～30℃區間，初生α相含量在10%～30%之間。（2）熱處理溫度高于相變點后，溫度升高，再結晶現象顯著。（3）Ti-5111合金擁有兩相鈦合金的特點，可通過加熱手段調控初生α相含量。（4）熱處理溫度升高，晶粒逐漸由粗大且不均勻轉變成大小均勻且細小。這除了和熱處理溫度有關外，冷卻方式也產生顯著影響（冷卻速度越快，晶粒細化效果越顯著）。

Ti-5111合金熱處理后的相結構如圖2所示。可以看出，鑄態合金含有α和β兩相，α相含量居多圖2（a）。經1#工藝處理后，衍射角在38°～43°區間依然存在α相，且其強度明顯增強，其它衍射角上的兩相相繼消失圖2（b）。經2#工藝處理后，α相強度略有增強，衍射角在52°～55°區間有初生β相圖2（c）。經3#工藝處理后，α和β相含量均顯著增加，但α相仍占比高。

(2)顯微硬度

測試結果表明，隨著熱處理溫度逐漸升高，合金的硬度值先減小后增大。3#工藝處理后的合金硬度最高（HV462.74），1#工藝處理后的合金硬度（HV297.76）較鑄態合金硬度（HV334.68）低，這與合金的微觀組織密切相關。硬度值的大小也是合金強度的體現，實際應用中，可根據性能需求選擇合適的熱處理工藝。

(3)耐磨性

不同工藝處理后的合金磨損質量損失如圖3所示。由圖可見，熱處理后，合金的耐磨性均得到提升，其質量損失均減小，其中，經1#工藝處理的合金的耐磨性最高。同一個試樣，磨損質量損失均呈前兩次較多，第三次較少。這是由于前兩次磨損時，試樣處于磨損咬合階段，磨損量較大；第三次磨損時，摩擦副與試樣接觸良好，磨損量下降。

圖3 Ti-5111合金經不同熱處理后的磨損質量損失

3.結論

鑄態Ti-5111合金的晶粒較粗大，由平直初生α相和轉變β相組成；隨著熱處理溫度的升高，晶粒逐漸細化。

經3#工藝處理后，合金的顯微硬度最高，達到HV462.74；經1#工藝處理后，合金的耐磨性最高。