热处理轨制对Ti-5111 合金棒材组织与机能的影响_组织_温度

文/周娜，宋蕊池，李巍，王小翔，李瑞·宝鸡钛业株式会社

Ti-5111 合金名义身分为Ti-5Al-1Mo-1V-1Zr-1Sn，是美国研发的一种低本钱钛合金，其含有高浓度α 稳定元素(5%Al)和较低含量β 稳定元素，如V、Mo，属于近α 合金。
Ti-5111 合金强韧性高、可焊接性良好，抵抗海水堕落能力精良，且本钱低于同特性(例如Ti6Al4V ELI)的钛合金，因此在高性能潜艇机器和构造部件中具有主要的运用代价，目前它已经被美国运用于一系列海军服役设备中，例如水下无人车辆外壳。
为了将其运用至更多零部件，更深入地理解热处理工艺对Ti-5111 组织和性能的影响显得非常必要，这也是本文研究的目的。

本研究选用经自由铸造制备的φ47mm 的Ti-5111 精锻棒材，经由普通退火、不同的固溶时效制度处理，对各自对应的组织和性能进行检测，剖析研究了不同的热处理制度对Ti-5111 棒材组织和性能的影响。

试验材料

本次试验选用经由二次真空自耗电弧熔炼的Ti-5111钛合金铸锭，其相转变温度为975～985℃，化学身分知足ASTM 标准哀求，如表1 所示。

表1 钛合金铸锭化学身分(wt%)

加工紧张设备

试验中所用到紧张加工设备为80/100MN(10000t)油压快锻机、2500t 油压机、电阻炉、SXP-13 精锻机。

试验方法

Ti-5111 铸锭经单相区开坯，经两相区多火次自由铸造变形，末了通过径向铸造至φ47mm 精锻棒，其显微组织如图1 所示。
由图1 可见，合金组织由拉长的条状初生α 相和少量β 转变组织组成，初生α 相含量大约为75%。

图1 Ti-5111 合金棒材的锻态组织

热处理试验在箱式电阻炉中进行，表2 为试验中采取的几种热处理方案。
经热处理后，利用线切割切取规格15mm×15mm×80mm 的室温拉伸试样，15mm×15mm×20mm 的显微组织试样，15mm×15mm×60mm 的室温冲击韧性试样(开口类型为“V”口)。
以热态作为基准，检测各组对应的力学性能和组织描述。
通过剖析比拟，研究不同的组织性能如何随热处理温度的变革而变革。
检测显微组织采取Axiovery 200 MAT 光学显微镜，利用Clemexe成像软件合营光学显微镜确定显微组织中初生α 相的体积分数，室温拉伸性能检测利用Instron 5885 电子万能材料试验机，室温冲击韧性利用JNS-300 摆锤式冲击试验机。

表2 Ti-5111 钛合金棒材热处理工艺方案

结果与谈论

不同热处理制度对组织的影响

Ti-5111 合金棒材经不同热处理制度下的显微组织见图2。

图2 Ti-5111 合金棒材在不同热处理状态下的显微组织

图2(a)、 图2(b)、 图2(c)、 图2(d)、 图2(e)为合金棒材在不同固溶温度下的显微组织，对应的不同组织中初生α 相含量变革趋势见图3。
可以看出，试样分别在750℃、800℃、930℃、950℃退火后，棒材显微组织均为双态组织，即由初生α 相和β 转变相组成。
随着温度的升高，初生α 相含量逐渐减少，β 转变组织逐渐增多。
退火温度为750℃时，组织中含有约55%的初生α 相。
温度为930℃时，初生α相持续向β 相中溶解，初生α 相减少为50%，且α 相形态由拉长状逐渐转变为球化程度较好的等轴状。
温度升至950℃时，初生α 含量减少至45%，β 转变相中涌现少量苗条的次生α 相。
这是由于在普通退火过程中，随着温度的增高，α 相溶解成为高温过饱和固溶体，初生α 相不断溶解于β 相中，因此含量相应减少。

图3 Ti-5111 合金棒材在不同热处理状态下的初生α 相含量

当加热温度升至1000℃(α+β/β 相转变温度10℃～15℃以上)时，得到魏氏组织(图2e)，初生α 相大部分转化为原始β 相，α 晶界及晶内片层α 非常薄，晶内由不同苗条的α 集束组成，范例的α 板条被保留的β 层所包围，β 层富集于β 稳定元素中。
这些层的形成是β 稳定元素在迁移界面之前扩散的结果。
由此可见，热处理制度对 Ti-5111钛合金的组织状态和比较例有一定的影响，初生α相的含量和次生α 相的比例及形状因退火温度改变而得到改变。

固溶时效为钛合金中常用的一种热处理制度。
固溶即为在高温加热过程中，使得合金元素固溶至基体中，随后在快冷过程中发生非平衡转变，从而形成过饱和固溶体，紧接着在随后的时效过程表中使饱和度降落，从而析出第二相。
综合考虑普通退火后的力学性能检测结果，选定930℃作为第一重固溶温度。
钛合金的时效紧张是依赖β 相在时效过程中析出弥散的α 固溶体，使合金得到强化。
然而，哪个时效温度才能达到强度和冲击韧性的最佳合营？本研究分别选择时效温度530℃、560℃、590℃、620℃，进行进一步热处理制度摸索。
图 2(f)、图2(g)、图2(h)、图2(i)为不同时效温度下的显微组织描述。
可以看出，随着时效温度的提高，整体显微组织仍是双态组织，初生α 相含量变革不大。

不同热处理制度对力学性能的影响

对经9 种热处理后的试样进行室温力学性能检测，室温拉伸性能、冲击功变革趋势见图4。
从图4Ti-5111 合金棒材在不同热处理制度下的室温拉伸性能可以看出，合金在锻态时，屈从强度和抗拉强度均超过热处理后的强度，抗拉强度约为940MPa。
随着热处理温度的升高，室温抗拉强度Rm、屈从强度Rp0.2 均呈低落趋势，伸长率A、断面紧缩率Z 整体呈上升状态。
750℃热处理后，棒材的抗拉强度低落30MPa，塑性轻微上升；930℃热处理后，抗拉强度降落约40MPa，塑性相对变革不大。
1000℃热处理后，强度呈明显上升的趋势，Rm 值约945MPa，比R 态提高5MPa，塑形变革却急剧低落，这是由于热处理工艺超过相变点，形成魏氏组织，密集排列苗条的次生α 相增加了强度，而材料的塑性除了与再结晶β 晶粒尺寸有关外，还与晶界α 相有关。
片状组织中的一定厚度的连续晶界α 相，为显微孔洞的形核终年夜到临界尺寸供应了一条有利路子，从而产生晶间断裂，使片状组织的塑性大幅度低于等轴组织和稠浊组织。

图4 Ti-5111 合金棒材在不同热处理状态下的室温拉伸性能、冲击功

固溶温度为930℃不变时，随着时效温度的升高，抗拉强度及屈从强度变革不明显，伸长率、断面紧缩率呈现出先增后减的趋势。
时效温度较低时，次生α 相呈弥散的针状析出。
随着时效温度升高，弥散度增大，从而强化效果增加，而温度过高时。
针状α 相得到更大的驱动力，从而发生扩散使得相界发生迁移，形成尺寸较大的片状α 相，从而强化效果反而低落。

从图4Ti-5111 合金棒材在不同热处理制度下的冲击性能变革趋势可以看出，合金的锻态冲击性能较低，随着退火温度的升高，冲击性能逐渐上升。
930℃时，冲击接管功可达到80J。
退火温度超过相变点后，冲击性能又降落。
R 态及经单重退火处理后，V 形缺口试样冲击功均可达50J 以上，表现出良好的冲击性能。
固溶温度为930℃，经不同时效温度热处理。
时效温度为530℃时，冲击接管功达到62J。
随着时效温度升高，冲击性能大幅度低落。

为了更好的剖析热处理制度对Ti-5111 合金棒材冲击性能的影响，对个别冲击试验断口描述进行剖析，见图5。
从图5 中可见，930℃，950℃，热处理后的冲击断口描述差异不大，断口相对平直，呈灰色，1000℃热处理后的断口非常粗糙，部分呈现出金属光泽。
图为冲击试样断口的SEM 照片。
从图中可见，断口韧窝分布相对均匀，1000℃处理后的断口韧窝数量较少，且可见地理台阶以及河流花样。
材料的韧性除与α 比较例有关外，还和其描述有关。
930℃处理后的双态组织，冲击性能最好，1000℃处理后，可能片状α 相的位向与主裂纹扩展方向附近，裂纹沿α相片间通过，因此冲击性能最差。

图5 冲击断口描述

⑴Ti-5111 钛合金棒材在九种热处理制度下性能均符合标准的哀求。

⑵在750℃、800℃、930℃、950℃分别单重退火后，初生α 相含量占45%～60%，Ti-5111 棒材的室温强度随着退火温度的提高略有降落，塑性差异不大，冲击性能先增大后减小；双重退火后，随着时效温度升高，强塑性无明显变革，冲击性能显著低落。

⑶选择退火制度为 930℃/1h.AC，即可得到强度和塑性、冲击性能的相对最佳匹配。

周娜

工艺员，紧张从事钛及钛合金金属材料的加工工艺技能研究，钛合金新材料研制及新产品开拓事情，曾获陕西有色集团科技进步二等奖1项，拥有实用新型专利1项。

——文章选自《铸造与冲压》2022年第15期