多次重復(fù)固溶時效處理對TB15鈦合金組織和力學(xué)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(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 陜西 西安 710089)

隨著航空、航天、艦船等工業(yè)的發(fā)展，對構(gòu)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(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]?，F(xiàn)代飛機(jī)對材料的要求已經(jīng)從靜強度判據(jù)發(fā)展到損傷容限判據(jù)，β鈦合金高強高韌，因此是航空領(lǐng)域的熱門材料[4]。一般認(rèn)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(nèi)航空制造業(yè)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(yīng)力腐蝕能力強等優(yōu)點，適合制造高強度鈦合金鍛件[6]。TC18鈦合金經(jīng)適當(dāng)熱處理后，抗拉強度可達(dá)1080～1230 MPa，斷裂韌度可達(dá)60 MPa·m1/2[7-8]。TC21鈦合金的強度和塑性與TC18鈦合金相當(dāng)，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(jīng)難以滿足未來航空結(jié)構(gòu)材料的要求。TB15(Ti-6554)鈦合金是近年研發(fā)的一種新型亞穩(wěn)態(tài)β型高強高韌鈦合金，其強韌性的匹配優(yōu)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(dá)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(dǎo)致在工程應(yīng)用中常出現(xiàn)熱處理后合金部分力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)的情況，合適的重復(fù)熱處理可以調(diào)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(jìn)行重復(fù)熱處理就顯得非常必要。本文研究了多次重復(fù)熱處理對TB15鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，以充分發(fā)揮其高強高韌的優(yōu)點。

1 試驗材料與方法

試驗材料為φ250 mm的TB15鈦合金鍛件，經(jīng)真空自耗電弧爐3次熔煉而成?；瘜W(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)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(biāo)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(jìn)行900 ℃×2 h(空冷)固溶處理，然后采用RJ2-50-7井式回火爐進(jìn)行530 ℃×8 h(空冷)時效處理，并分別進(jìn)行1、2和3次重復(fù)熱處理，每組工藝下取3個拉伸試樣和斷裂韌度試樣進(jìn)行測試，然后分別采用AG 2501CNE試驗機(jī)和MTS-SANS CMT500試驗機(jī)進(jìn)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(jié)果與分析

2.1 微觀組織

TB15鈦合金經(jīng)多次重復(fù)固溶時效處理后的顯微組織如圖1所示?？梢钥闯?，隨著固溶時效處理重復(fù)次數(shù)的增加，TB15鈦合金的顯微組織發(fā)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(jīng)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(nèi)部延伸，晶內(nèi)次生α相的形貌主要以長片層狀為主；晶間α相呈現(xiàn)隨機(jī)分布狀態(tài)，如圖1(a)所示。2次重復(fù)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(nèi)次生α相相互交織切割成短片層狀，并且次生α相出現(xiàn)了合并長大的現(xiàn)象，如圖1(b)所示。隨著重復(fù)次數(shù)的進(jìn)一步增加，次生α相的合并長大進(jìn)一步加劇，原始β晶粒晶界增厚也更加明顯。經(jīng)過4次重復(fù)固溶時效處理后，晶界增厚達(dá)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(fù)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(xué)性能

TB15鈦合金經(jīng)多次重復(fù)固溶時效處理后的力學(xué)性能如表1所示。由表1分析可知，TB15鈦合金經(jīng)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(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，比目前TC18、TC21等鈦合金強度和韌性都要高。經(jīng)2次重復(fù)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(jīng)3次和4次重復(fù)固溶時效處理后，TB15鈦合金強度繼續(xù)下降，但仍能保持較高的斷裂韌度，然而合金的塑性已經(jīng)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(fù)固溶時效處理后TB15鈦合金的室溫力學(xué)性能

2.3 斷口形貌

TB15鈦合金經(jīng)多次重復(fù)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(jīng)1次固溶時效處理后的斷口表面分布有較多的細(xì)小韌窩，解理面較少。隨著重復(fù)次數(shù)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(jīng)4次重復(fù)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(fù)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(jié)論

1) TB15鈦合金經(jīng)1次固溶時效熱處理后表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，抗拉強度達(dá)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(fù)次數(shù)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(shù)的重復(fù)固溶時效處理不能實現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)變。