多次重復固溶時效處理對TB15鈦合金組織和力學性能的影響

趙安安， 胡生雙， 陳素明， 張穎云， 趙 虎， 張 穎

(中航西安飛機工業集團股份有限公司， 陜西 西安 710089)

隨著航空、航天、艦船等工業的發展，對構件的比強度、耐熱、耐蝕等性能要求越來越高。鈦合金具有比強度高、耐熱性好、耐蝕性好等特點，在航空、航天等工業領域中具有廣闊的應用前景[1-3]。現代飛機對材料的要求已經從靜強度判據發展到損傷容限判據，β鈦合金高強高韌，因此是航空領域的熱門材料[4]。一般認為，高強高韌鈦合金是指拉伸強度超過1000 MPa，斷裂韌度不低于55 MPa·m1/2的鈦合金[5]。目前國內航空制造業使用較多的高強度鈦合金主要包括TB6、TC18、TC21合金等。TB6鈦合金具有比強度高、斷裂韌度好、鍛造溫度低、淬透性好和抗應力腐蝕能力強等優點，適合制造高強度鈦合金鍛件[6]。TC18鈦合金經適當熱處理后，抗拉強度可達1080～1230 MPa，斷裂韌度可達60 MPa·m1/2[7-8]。TC21鈦合金的強度和塑性與TC18鈦合金相當，斷裂韌度可以控制在70 MPa·m1/2以上[9]。但是這些鈦合金的抗拉強度普遍較低，已經難以滿足未來航空結構材料的要求。TB15(Ti-6554)鈦合金是近年研發的一種新型亞穩態β型高強高韌鈦合金，其強韌性的匹配優于TB6及TB22鈦合金[10]。TB15鈦合金通過熱處理在獲得1300 MPa以上強度的同時，斷裂韌度可達到60 MPa·m1/2。一般TB15鈦合金有固溶處理和時效處理兩種熱處理制度，通過固溶處理獲得低強度和高塑性，通過時效處理可以提高合金的強度，但塑性會下降。由于合金在熱處理過程中相變的多樣性[11-14]，導致在工程應用中常出現熱處理后合金部分力學性能不達標的情況，合適的重復熱處理可以調整合金的強度、塑性、斷裂韌度等性能[11,15]，因此對TB15鈦合金進行重復熱處理就顯得非常必要。本文研究了多次重復熱處理對TB15鈦合金顯微組織和力學性能的影響，以充分發揮其高強高韌的優點。

1 試驗材料與方法

試驗材料為φ250 mm的TB15鈦合金鍛件，經真空自耗電弧爐3次熔煉而成。化學成分(質量分數，%)為5.4Cr、5.0Mo、5.0V、4.1Al、0.05Fe、0.02C、0.01N、0.002H、0.05O。采用線切割、車削和磨削等工序，將TB15鈦合金鍛件加工成直徑φ5 mm、標距25 mm 的縱向拉伸試樣和60 mm×62.5 mm×25 mm的緊湊拉伸斷裂韌度試樣。采用RX-140-12箱式電爐進行900 ℃×2 h(空冷)固溶處理，然后采用RJ2-50-7井式回火爐進行530 ℃×8 h(空冷)時效處理，并分別進行1、2和3次重復熱處理，每組工藝下取3個拉伸試樣和斷裂韌度試樣進行測試，然后分別采用AG 2501CNE試驗機和MTS-SANS CMT500試驗機進行室溫拉伸測試和斷裂韌度測試。從拉伸試樣頭部切取金相試樣，采用CamScan3400型掃描電鏡觀察合金顯微組織，采用Hitachi S4300型掃描電鏡觀察斷口微觀形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

TB15鈦合金經多次重復固溶時效處理后的顯微組織如圖1所示。可以看出，隨著固溶時效處理重復次數的增加，TB15鈦合金的顯微組織發生了較為明顯的變化，次生α相合并長大，原始β晶粒晶界增厚。經過1次固溶時效處理后，次生α相在晶界處彼此間相互平行地析出，并不斷向晶粒內部延伸，晶內次生α相的形貌主要以長片層狀為主；晶間α相呈現隨機分布狀態，如圖1(a)所示。2次重復固溶時效處理后，晶界附近的次生α相仍相互平行地析出，并且片層較薄，但晶內次生α相相互交織切割成短片層狀，并且次生α相出現了合并長大的現象，如圖1(b)所示。隨著重復次數的進一步增加，次生α相的合并長大進一步加劇，原始β晶粒晶界增厚也更加明顯。經過4次重復固溶時效處理后，晶界增厚達到0.5 μm(如圖1(d)虛線框所示)，且厚片層次生α相明顯增多(如圖1(d)箭頭所示)。

圖1 多次重復固溶時效處理后TB15鈦合金的顯微組織(a)1次；(b)2次；(c)3次；(d)4次Fig.1 Microstructure of the TB15 titanium alloy after multiple repeated solution and aging treatment(a) 1 time; (b) 2 times; (c) 3 times; (d) 4 times

2.2 力學性能

TB15鈦合金經多次重復固溶時效處理后的力學性能如表1所示。由表1分析可知，TB15鈦合金經1次固溶時效處理后的抗拉強度為1453 MPa，伸長率為4.6%，斷面收縮率為9.8%，斷裂韌度為71.0 MPa·m1/2，表現出優異的綜合力學性能，比目前TC18、TC21等鈦合金強度和韌性都要高。經2次重復固溶時效處理后，抗拉強度、屈服強度和斷裂韌度略有降低，同時，伸長率和斷面收縮率急劇降低，伸長率從4.6%降低至2.2%，斷面收縮率從9.8%降低至3.6%。經3次和4次重復固溶時效處理后，TB15鈦合金強度繼續下降，但仍能保持較高的斷裂韌度，然而合金的塑性已經降至極低，4次熱處理后試樣伸長率僅為0.9%。

表1 多次重復固溶時效處理后TB15鈦合金的室溫力學性能

2.3 斷口形貌

TB15鈦合金經多次重復固溶時效處理后的拉伸斷口形貌如圖2所示。由圖2(a)可以看出，TB15鈦合金經1次固溶時效處理后的斷口表面分布有較多的細小韌窩，解理面較少。隨著重復次數的增加，斷口的解理面增加，韌窩呈帶狀并與帶狀解理面交替分布，如圖2(b,c)所示；經4次重復固溶時效處理后，解理面大量存在，斷裂類型為脆性斷裂。

圖2 多次重復固溶時效處理后TB15鈦合金的拉伸斷口形貌(a)1次；(b)2次；(c)3次；(d)4次Fig.2 Tensile fracture morphologies of the TB15 titanium alloy after multiple repeated solution and aging treatment(a) 1 time; (b) 2 times; (c) 3 times; (d) 4 times

3 結論

1) TB15鈦合金經1次固溶時效熱處理后表現出優異的綜合力學性能，抗拉強度達到1453 MPa，伸長率為4.6%，斷面收縮率為9.8%，斷裂韌度為71.0 MPa·m1/2。

2) 隨著固溶時效處理重復次數的增加，TB15鈦合金的強度和斷裂韌度降低，伸長率和斷面收縮率急劇降低。表明相同工藝參數的重復固溶時效處理不能實現在不大幅降低強度和斷裂韌度的前提下改善該合金的室溫塑性。

3) 隨著固溶時效熱處理次數的增加，TB15鈦合金的室溫拉伸斷口韌窩逐漸減少、解理面逐漸增加，斷裂類型從韌性斷裂向脆性斷裂轉變。