Ti55531合金棒材與鍛件熱處理工藝優化及性能突破：棒材經固溶溫度調控（T1-T3）和時效溫度優化（575-650℃），初生α相形態與分布主導強塑性，鍛件在600℃時效時室溫抗拉強度1340MPa、伸長率7.0%，500℃高溫抗拉強度997MPa

引言

Ti55531合金屬于β合金，是由BT22合金發展而來的一種具有高強度和高斷裂韌性的新型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr。與當前廣泛應用于大型民用客機上的Ti-1023合金相比，Ti55531合金不會產生明顯的成分偏析，且室溫抗拉強度提高了約15%。該合金具有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，在生產過程中以空冷工藝代替水淬工藝，可以改善殘余應力對其后續機加工的影響，從而降低其加工成本。

目前，Ti55531合金已成功替代Ti-6Al-4V和Ti-1023合金應用于飛機的起落架、機翼等20多種承力部件上,并使這些部件質量減小8%。

目前,國內已逐步對該合金開展相關研究[1-2]但可查的公開報道并不多見。因此,作者通過鍛造制備了Ti55531合金棒材和鍛件,然后對其進行不同的固溶時效熱處理，研究了熱處理工藝對其顯微組織和拉伸性能的影響。

1、試樣制備與試驗方法

采用真空自耗爐通過三次熔煉制備了 Ti55531鈦合金鑄錠,然后再經開坯、β單相區鍛造、α+β兩相區鍛造后獲得?250mm的棒材,棒材在兩相區的變形量控制在60%以上。然后分別對棒材按如下2個方案進行處理。

其一:沿棒材橫向切取試樣，采用表1所示的工藝參數進行熱處理(固溶+時效熱處理),以研究熱處理工藝對棒材組織和性能的影響。表1中,T1,T2,T3分別為固溶溫度,t1為固溶時間,t2為時效時間,T₁<T₂<T₃。

表1 Ti55531合金棒材的熱處理工藝及其熱處理后的拉伸性能

其二:直接對棒材進行等溫鍛造(終鍛在兩相區,總變形量大于50%),鍛件外形呈餅環狀,外形尺寸為580mm;沿鍛件橫向切取試樣,按表1試樣b和d的工藝對鍛件進行熱處理，以研究熱處理工藝對鍛件組織和性能的影響。

采用DSX100型光學顯微鏡觀察試驗合金的顯微組織，腐蝕劑為1%HF+3%HNO₃+96%水;參考GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗》和GB/T4338-2006《金屬高溫拉伸試驗方法》，在ZWICK-Z150型拉伸試驗機上進行拉伸試驗，試樣尺寸為?10mm×55mm，應變速率為0.0025s^-1(屈服前)和0.008s^-1(屈服后),高溫拉伸試驗的溫度為500℃。

2、試驗結果與討論

2.1對合金棒材組織和性能的影響

由表1可以看出，對于時效工藝參數相同而固溶工藝參數不同的試樣a,c,f而言,隨著固溶溫度從T1升至T3,室溫抗拉強度和屈服強度逐漸增大,抗拉強度由1235 MPa增至1415 MPa，屈服強度由1 225 MPa增至1370 MPa;而伸長率和斷面收縮率則呈快速下降的趨勢，分別由8.00%和30.0%降至2.25%和6.75%。對于固溶工藝參數相同而時效工藝參數不同的試樣b,c,d,e而言，隨著時效溫度從650℃降至575℃，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，抗拉強度從1221MPa增至1406MPa，屈服強度由1150 MPa增至1339 MPa;伸長率和斷面收縮率的下降亦很明顯,分別從4.75%和18.5%降至0.5%和6.0%。

可見,確定合適的固溶溫度和時效溫度可使Ti55531合金實現最佳的強度和塑性匹配。

由圖1可以看出，隨著固溶溫度升高，初生a相從彌散的顆粒狀轉變為條狀或短棒狀,達到一定溫度后全部轉變為β晶粒,且β晶粒內的片狀a均呈細針狀。這說明此時的溫度已經到達β相的轉變溫度。升高固溶溫度可使Ti55531合金的組織發生改細針狀。這說明此時的溫度已經到達β相的轉變溫度變,滿足合金高強度的要求,但當固溶溫度高于Tβ(β相轉變溫度)后，相消失，β晶粒形成并長大，從而導致合金的強度增大，塑性下降。為避免β晶粒形成和快速長大,Ti55531合金的固溶溫度不宜超過Tβ,這樣可以獲得晶粒尺寸合適并同時含有初生α相和次生α相混合的雙態組織[3]。此類組織的綜合性能較好,是鈦合金中廣泛采用的組織類型。

由圖2可以看出，隨著時效溫度逐漸降低，在黑色基體上分布著的白色短棒狀或條狀α相逐漸溶解，球化析出彌散的顆粒，其面積分數達到20%~30%。可見，時效溫度的降低導致組織發生變化，這將會導致其室溫拉伸性能發生很大變化。結合表1可見，時效溫度降低50℃，室溫抗拉強度和屈服強度增加了約200MPa，伸長率和斷面收縮率下降明顯，尤其是伸長率下降到了0.5%。這說明時效溫度對Ti55531合金室溫拉伸性能的影響更大。

2.2對鍛件組織和性能的影響

從表2可以看出，隨著時效溫度從650℃降至600℃，Ti55531合金鍛件在室溫和500℃下的抗拉強度均增大，伸長率和斷面收縮率則均降低，這與棒材的試驗結果相符。此外，當時效溫度為650℃時，雖然塑性指標比較好，但是室溫拉伸強度不能滿足相關技術標準的要求，屬于不合格產品，在實際生產中該熱處理制度不能選用;當時效溫度為600℃時，Ti55531合金達到了良好的強度和塑性匹配，強度和塑性指標都能達到了標準的要求。

表2 Ti55531合金鍛件經不同熱處理后的橫向拉伸性能

由于鍛件是最終的熱加工產品，其變形量比較充分，熱加工過程已使組織充分變形，因此在光學顯微鏡下看不出時效溫度調整前后的組織變化，如圖3和圖4所示,均為兩相區鍛造的彌散、細小的α顆粒分布在黑色的轉變β基體上，不同區域組織的均勻性基本一致。

3、結論

(1)隨著固溶溫度升高，Ti55531合金棒材中的初生α相由顆粒狀變為條狀或短棒狀,直至全部變為β相;隨著時效溫度降低，短棒狀或條狀α相逐漸溶解并球化析出α顆粒。

(2)隨著固溶溫度升高，合金室溫抗拉強度和屈服強度明顯增大，伸長率和斷面收縮率則大幅下降;隨著時效溫度降低，抗拉強度和屈服強度逐漸增大，伸長率和斷面收縮率明顯降低。

(3)為使鈦合金棒材的室溫強度和塑性達到最佳匹配，固溶溫度應控制在相變點以下，時效溫度宜選擇在600~620℃區間。

(4)固溶溫度在相變點以下,時效溫度在600℃時，Ti55531合金鍛件的強度和塑性可滿足相關標準要求。

參考文獻:

[1]付艷艷，宋月清，惠松驍，等.熱處理對VST55531鈦合金組織和拉伸性能的影響[J].稀有金屬，2008，32(4):399-403.

[2] FU Yan-yan,SONG Yue-qing,HUI Song-xiao, et al. Effects of heat treatment processes on microstructure and tensile properties of VSTT55531 alloy[J]. Metal Heat Treatment,2008，33(7):66-68.

[3]趙永慶，陳永楠，張學敏.鈦合金相變及熱處理[M].長沙:中南大學出版社,2012:130.

（注，原文標題：熱處理工藝對Ti55531合金組織和拉伸性能的影響）