固溶冷卻方式對(duì)Ti60鈦合金大規(guī)格棒材組織和力學(xué)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(fēng)冷、油冷和水冷）對(duì)Ti60鈦合金顯微組織和室溫、高溫（600℃）力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：固溶冷卻速度的增加，會(huì)使初生α尺寸變小，含量降低?？绽涞氖覝乩鞆?qiáng)度為1009MPa，伸長(zhǎng)率為13.5%;水冷的室溫拉伸強(qiáng)度為1186MPa，伸長(zhǎng)率為11%。固溶冷卻速度的增加，室溫和高溫拉伸強(qiáng)度、熱穩(wěn)定強(qiáng)度和蠕變性能提高，但室溫拉伸塑性和熱穩(wěn)定塑性會(huì)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(guān)鍵詞：Ti60;固溶冷卻方式;棒材;顯微組織;高溫力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG166.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(qiáng)度、良好的高溫性能、優(yōu)異的耐腐蝕性能、較好的疲勞性能，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

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

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

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鑄錠由寶雞鈦業(yè)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(xué)成分如表1所示。經(jīng)測(cè)定鑄錠的α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度為1037℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

鑄錠經(jīng)開坯、鍛造、機(jī)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(shí)效制度對(duì)樣片進(jìn)行熱處理，具體制度見表2。

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶冷卻制度對(duì)顯微組織的影響

圖2為Ti60合金棒材經(jīng)不同固溶時(shí)效制度處理后的顯微組織?？梢钥闯鲭S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?yàn)殡S著冷卻速率增加，原子來(lái)不及擴(kuò)散，初生α相不能夠充分聚集長(zhǎng)大，淬火后保留下來(lái)的缺陷相對(duì)較多，更容易發(fā)生非均勻形核，但原子擴(kuò)散不充分，次生相來(lái)不及長(zhǎng)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(tài)細(xì)小。

2.2 固溶冷卻方式對(duì)拉伸性能的影響

2.2.1 固溶冷卻方式對(duì)拉伸性能的影響

圖3是經(jīng)過(guò)不同的固溶時(shí)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(jié)果。

由圖3可以看出，固溶冷卻方式對(duì)拉伸強(qiáng)度有明顯影響，水冷后的強(qiáng)度在室溫、600℃下都明顯高于其它三種，油冷和風(fēng)冷差距不大，空冷最低。這是因?yàn)椴捎幂^快的固溶冷卻方式（如水冷）能夠保留大量的亞穩(wěn)β相，在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中這些亞穩(wěn)β相能分解析出大量細(xì)針α，從而提高合金的抗拉強(qiáng)度。

2.2.2 固溶冷卻方式對(duì)熱穩(wěn)定的影響

圖4是經(jīng)過(guò)不同的固溶時(shí)效熱處理后，Ti60合金棒材的熱穩(wěn)定（600℃/100h）性能結(jié)果。

由圖4可以看出固溶冷卻方式對(duì)熱穩(wěn)定強(qiáng)度的影響與對(duì)拉伸強(qiáng)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(xù)的時(shí)效中能析出細(xì)小彌散的初生α及大量的細(xì)針α，提高了合金強(qiáng)度。從圖3和圖4也可以看出水冷的強(qiáng)度明顯高于其它三種冷卻方式，從中可以推測(cè)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(guān)文獻(xiàn)表明[5]，塑性下降的程度與合金的初生α相含量相關(guān)，初生α相含量越少，塑性降低程度越大。這與本文的結(jié)果是相符合的。

2.2.3 固溶冷卻方式對(duì)蠕變性能的影響

圖5是經(jīng)過(guò)不同的固溶時(shí)效熱處理后，Ti60合金棒材的蠕變（600℃/440MPa/0.5h）性能結(jié)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(guān)文獻(xiàn)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(jié)論

（1）固溶冷卻速度增加，會(huì)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(xì)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(qiáng)度，但室溫拉伸塑性會(huì)明顯降低，對(duì)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(wěn)定（600℃/100h）強(qiáng)度。而熱穩(wěn)定塑性會(huì)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(xiàn)：

[1]魏壽庸.600℃時(shí)高溫鈦合金（Ti60）的組織和力學(xué)性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，10（20）：801-806.

[2]羅文忠.固溶處理對(duì)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(duì)Ti60合金組織及性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，11（11）：2136-2141.

[4]趙成成.熱處理制度對(duì)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(duì)近α鈦合金TG6拉伸性能和熱穩(wěn)定性的影響[J].航空材料學(xué)報(bào)，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.