固溶時效處理對新型耐蝕鈦合金組織及性能影響

鈦及鈦合金具有高比強度、高耐腐蝕性、無磁等特點，是一種優異的海洋材料。但目前海洋工程裝備用鈦合金普遍存在強度和耐油氣腐蝕能力不足的特點，而且其生產制造難度比普通鈦合金大。隨著國家海洋強國戰略的實施以及海洋資源開發利用力度的加大，對先進高性能海洋工程裝備的需求逐漸擴大，開發應用于先進船舶、海洋工程裝備等領域的高強耐蝕鈦合金是當前鈦合金的研究熱點。

一般可通過合金成分設計、加工方式和熱處理手段等改善耐蝕鈦合金的性能和顯微組織。CHENG Y C等設計開發的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn鈦合金與純鈦、Ti-6Al-4V合金相比，在各種模擬環境下均具有良好的耐腐蝕性能，但其強度偏低。GORNAKOVA A S等研究成分、退火溫度和高壓扭轉對Ti-V和Ti-V-Al合金組織和硬度的影響，發現Al的加入完全抑制了ω-Ti相的形成，Al的添加可以增加其硬度，且高壓扭轉后合金的硬度隨熱處理溫度的升高而提高。LIN C等依據電子濃度理論分析了鈦合金中添加合金元素對形成和的影響，發現高鋁當量利于形成相，而較高的Zr、Mo和Nb元素有利于相形成。固溶時效熱處理是一種改善金屬材料微觀組織和力學性能的工藝，常用來提高鈦合金強度。魯媛媛等研究了不同固溶處理溫度對TC4鈦合金顯微組織和性能的影響，發現固溶處理有效提高了鈦合金的強度，但卻伴隨著塑性的降低，隨著固溶溫度升高β相逐漸向α相轉變。LI C L等研究了固溶時效處理對Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al鈦合金組織和性能的影響，其力學性能顯著提高。YANG X W`等通過固溶時效處理，改善了Ti-6Al-4V鈦合金的組織和耐蝕性能，微觀組織由片層組織轉變為網籃組織，此外腐蝕電流密度明顯降低，提高了耐腐蝕性能。對于鋁當量較高的近α合金，難以將亞穩β相保留至時效溫度，因此合金不具備時效強化效果。然而通過固溶處理可以獲得并調控馬氏體顯微組織結構，一方面可有效提高合金室溫塑性，另一方面也能間接改善合金的時效強化效果，最終實現合金加工及使用性能的提升。

【資料圖】

目前關于耐蝕鈦合金成分設計、加工方式和熱處理手段對其顯微組織和性能的研究較少。本課題以新設計開發的Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo耐蝕鈦合金為研究對象，依次經過3次VAR爐熔煉、開坯鍛造、熱軋、固溶時效處理等過程，研究不同的固溶溫度對鈦合金板材組織、力學性能的影響規律，以期為改善耐蝕鈦合金組織和性能提供參考。

【試驗材料及方案】

試驗材料名義成分為Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo（以下簡稱Ti55211），選用0級海綿鈦、海綿鋯、鈦錫合金、鋁鈮中間合金、鋁鉬中間合金等作為原材料，在真空自耗電弧爐中進行3次熔煉，采用化學分析法檢測鈦合金鑄錠的化學成分見表1。將Ti55211鈦合金3次鑄錠進行開坯、鍛造，然后運用兩輥可逆軋機熱軋成板材，再進行固溶時效熱處理。熱軋工藝為將坯料加熱至960℃后保溫60 min進行一火熱軋；回爐加熱至950 ℃后長寬換向進行二火熱軋；二火軋制板材再次回爐加熱至940 ℃進行三火軋制，最后空冷至室溫，板材的最終厚度為8 mm，終軋溫度為820℃。經差示掃描量熱儀實測得Ti55211鈦合金熱軋板材的相變溫度為950℃，據此制定固溶時效處理熱處理工藝見表2。

將固溶時效后的Ti55211鈦合金板材切割為10 mm ×10 mm×8 mm的試樣進行研磨、拋光，金相腐蝕采用Kroll試劑，HF、HNO3、H2O體積配比為1:2:7，采用Nikon ECLIPSE MA200倒置顯微鏡觀察試樣金相組織。采用SHT4605微機控制電液伺服萬能試驗機進行板材單向室溫拉伸性能，試樣尺寸見圖1，采用ZEISS EVO18掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。采用TH320型洛氏硬度計檢測試樣硬度，載荷為1471 N，加載時間為10 s，每個試樣測5次取平均值。

圖1 拉伸試樣尺寸

【圖文結果】

Ti55211鈦合金固溶時效后的板材顯微組織見圖2。由圖2a~圖2c可看出，900 ℃時Ti55211鈦板材的縱、橫、軋制三個面組織均由α相、β相和少量的β轉變組織構成，但β相呈現彌散無規則分布狀態，且β轉變組織尺寸普遍偏小。經軟件計算，軋制面α相的體積分數約為83.47%。由圖2d~圖2f可看出，930℃時板材的縱、橫、軋面的組織由α相、β相和β轉變組織構成，但β轉變組織較900℃下固溶時效組織存在明顯變大的趨勢，且縱截面和軋制面的組織呈現明顯等軸化趨勢，其原因是固溶處理溫度930℃在Ti55211鈦合金的α+β兩相區，在α相轉變為β相時發生了再結晶變化，但由于溫度不高，沒有形成完全等軸的α相，在此過程中β轉變組織發生長大變粗。經軟件計算，軋制面α相的體積分數約為86.11%，較900℃時的體積分數有所增加。由圖2g~圖2i可看出，960 ℃下板材的縱、橫和軋面的組織發生顯著變化，與低溫固溶時效板材的組織不同，其組織為魏氏組織形貌，存在清晰的晶界α相和粗大的β晶粒，主要是因為在960℃的固溶時，超過了Ti55211鈦合金的相變點溫度，大部分α相得以轉變為β相，在淬火時保留下來，經計算軋制面α相的體積分數約為46.37%。由圖2c、圖2f和圖2i可知，當在相變點之前進行固溶處理時，隨著固溶溫度的升高，Ti55211鈦合金板材軋制面的組織由不規則彌撒分布的組織變為等軸組織；當在相變點之后進行固溶處理時，組織變為魏氏組織。

綜上，當固溶溫度從900 ℃升到930 ℃時，Ti55211鈦合金組織呈現等軸化，α相逐漸增加，體積分數從83.47% 增至86.11%，表明α相發生了部分動態再結晶，α相聚集球化，β轉變組織也長大變粗；當在960 ℃西固溶時，組織呈現魏氏組織形貌，α相含量大幅降低至46.37%，等軸狀α相減少。

（a）900 ℃，縱截面 （b）900 ℃，橫截面 （c）900 ℃，軋制面

（d）930 ℃，縱截面 （e）930 ℃，橫截面 （f）930 ℃，軋制面

（g）960 ℃，縱截面 （h）960 ℃，橫截面 （i）960 ℃，軋制面

圖2 Ti55211鈦合金固溶時效板材的顯微組織

圖3為Ti55211鈦合金板材在不同溫度下固溶時效后的力學性能。可以看出，Ti55211鈦合金固溶時效前板材的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為1001 MPa、842 MPa和5.5%。板材在900℃固溶時效后，其抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別為855 MPa、779 MPa和14.5%，較固溶時效處理前抗拉強度降低了14.58%，伸長率提高了163.6%。其原因是熱軋板材的組織分布不均，十分凌亂，α相、β相的尺寸各異，而在固溶時效處理后這一現象明顯得到改善，內部由于軋制變形造成的應力集中在時效過程得到釋放，其伸長率故而大幅增加。板材在930℃固溶時效后，其抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別為886 MPa、791 MPa和14.0%，較固溶時效處理前抗拉強度降低了11.49%，伸長率提高了154.5%。板材在960℃固溶時效后，其抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別為927 MPa、851 MPa和12.5%，較固溶時效處理前抗拉強度降低了7.39%，屈服強度提高了1.07%，伸長率提高了127.27%。

圖3 Ti55211固溶時效板材的力學性能

隨著固溶溫度的升高，Ti55211鈦合金板材的抗拉強度和屈服強度隨之提高，而伸長率隨之降低。在930℃固溶時效后板材較900℃時效后板材的β轉變組織數量更多、尺寸更大，因而強度較900℃時效時更高；當960℃固溶時效后，組織變為魏氏組織，有大量粗大的β晶粒，強度進一步提高，而原有的等軸α相減少導致塑性下降。另外，在930℃固溶時效后具有最高的強塑性，說明在該固溶時效熱處理工藝下的Ti55211鈦合金板材綜合力學性能最佳。

圖4為Ti55211鈦合金在不同固溶時效處理后試樣的室溫拉伸斷口形貌組織。由圖4可知，在900、930和960℃固溶時效熱處理的拉伸試樣的斷口形貌均由大量的韌窩組成，斷裂方式屬于韌性斷裂方式。其中，圖4a和圖4b中的大韌窩中包含有大量小韌窩，深度更深；而圖4c中的很多韌窩較淺甚至不完整，局部區域存在解理臺階，塑性相對較差，此現象與力學性能一致。綜上所述，三種固溶時效熱處理后的Ti55211鈦合金板材斷口形貌均由韌窩構成，屬于韌性斷裂。

圖4 Ti55211固溶時效板材拉伸試樣斷口形貌

(a) 900 ℃；(b)930 ℃；(c) 960 ℃

圖5為Ti55211鈦合金板材在不同固溶溫度下保溫30 min，在580 ℃下時效3 h后的硬度。可以看出，Ti55211鈦合金板材在900、930、960 ℃下固溶時效處理后的硬度逐漸增大，但增大幅度不大。固溶時效板材的洛氏硬度較熱軋板材的硬度均出現了一定幅度的下降，說明固溶時效熱處理對Ti55211鈦合金熱軋板材存在一定的軟化效果，其原因可能是固溶處理改善了熱軋后原本凌亂的組織，時效過程又釋放了變形產生的應力。另外，隨著固溶溫度的增加，其固溶時效板材的洛氏硬度隨之增高，與抗拉強度和屈服強度的變化趨勢一致，與伸長率變化趨勢相反。

圖5 Ti55211固溶時效板材的洛氏硬度

【結論】

(1) Ti55211鈦合金熱軋板材在不同溫度固溶并時效處理后，組織產生了較大變化。當固溶溫度從900℃升高到930℃時，組織呈現等軸化趨勢，β轉變組織明顯增多；當在960℃進行固溶時，有粗大的β晶粒和晶界α，其組織為魏氏組織形貌。

(2) 隨著固溶溫度的不斷升高，Ti55211鈦合金板材的抗拉強度、屈服強度和洛氏硬度隨之升高，而伸長率隨之下降。板材在930℃固溶時效后的抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別為886 MPa、791 MPa和14.0%，此熱處理工藝下綜合力學性能最佳。三種固溶時效熱處理后的板材斷口形貌均由韌窩構成，屬于韌性斷裂。

【文獻引用】

譚聰，張靜，董英杰，等.固溶時效對Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo合金組織及性能影響[J].特種鑄造及有色合金,2023,43(1):109-113.

TAN C,ZHANGJ,DONG YJ,et al.Effect of solution aging treatment on microstructure and properties of Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo alloy[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(1):109-113.

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