固溶冷却方式对Ti60钛合金大规格棒材组织和力学性能的影响

引言

钛合金具有高的比强度、良好的高温性能、优异的耐腐蚀性能、较好的疲劳性能，在航空航天领域得到了广泛应用。

Ti60 钛合金是 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Ta-Si 系多元复合强化的近 α 型高温钛合金，它集细晶强化、固溶强化和第二相（α2 和硅化物）弥散强化于一身，具有优良的综合性能，主要应用于航空发动机轮盘和叶片等部位，在工作温度下具有较高的热强性、抗氧化性和满意的热稳定性的良好匹配[1]。

罗文忠等人研究了在相变点附近固溶处理对 Ti60 合金组织及室温、高温拉伸性能的影响，双态组织具有更好的强度和塑性的匹配[2]。贾蔚菊等人研究时效时间对 Ti60合金组织及性能的影响，时效时间延长，析出物数量增加，合金强度变化不大，塑性明显降低[3]。赵成成研究了热处理制度对 Ti60 显微组织和性能的影响，特别是时效时间和温度对性能的影响[4]。而固溶处理冷却方式对力学性能的影响研究较少。本文主要研究了固溶冷却方式对 Ti60 钛合金显微组织和高温力学性能的影响。

1 、实验材料和方法

1.1 实验材料

铸锭由宝鸡钛业股份有限公司真空自耗电弧炉三次熔炼而成，锭型 φ694mm，其化学成分如表 1 所示。经测定铸锭的 α+β/β 相转变温度为 1037℃。

1.2 实验方法

铸锭经开坯、锻造、机加至 Φ300 棒材，从棒材上取样，棒材的热锻显微组织如图 1 所示，在棒材上截取样片，分别选用不同的固溶时效制度对样片进行热处理，具体制度见表 2。

样片经固溶时效处理后，在样片上取样并进行显微组织、室温拉伸、600℃高温拉伸、热稳定（600℃/100h）和蠕变（600℃/440MPa/0.5h）性能检测，研究不同固溶冷却方式对Ti60 合金棒材室温、高温（600℃）力学性能和显微组织的影响。

2、 实验结果与分析

2.1 固溶冷却制度对显微组织的影响

图 2 为 Ti60 合金棒材经不同固溶时效制度处理后的显微组织。可以看出随着冷却速度的增加，初生 α 的尺寸变小，初生 α 相含量减少，水冷所得组织中初生 α 相含量最低（约为 15%）、尺寸最小（约 20μm），空冷组织中初生 α相含量最高（约为 45%）、尺寸最大（约 40μm）。这是因为随着冷却速率增加，原子来不及扩散，初生 α 相不能够充分 聚集长大，淬火后保留下来的缺陷相对较多，更容易发生非均匀形核，但原子扩散不充分，次生相来不及长大，所以在水冷条件下，初生 α 相为条状或针状，而且析出的次生α 相明显减少，且形态细小。

2.2 固溶冷却方式对拉伸性能的影响

2.2.1 固溶冷却方式对拉伸性能的影响

图 3 是经过不同的固溶时效热处理后，Ti60 合金棒材的室温拉伸性能和 600℃高温拉伸性能结果。

由图 3 可以看出，固溶冷却方式对拉伸强度有明显影响，水冷后的强度在室温、600℃下都明显高于其它三种，油冷和风冷差距不大，空冷最低。这是因为采用较快的固溶冷却方式（如水冷）能够保留大量的亚稳 β 相，在后续时效过程中这些亚稳 β 相能分解析出大量细针 α，从而提高合金的抗拉强度。

2.2.2 固溶冷却方式对热稳定的影响

图 4 是经过不同的固溶时效热处理后，Ti60 合金棒材的热稳定（600℃/100h）性能结果。

由图 4 可以看出固溶冷却方式对热稳定强度的影响与对拉伸强度的影响类似，主要原因都是较快的固溶冷却方式（如水冷）在后续的时效中能析出细小弥散的初生 α及大量的细针 α，提高了合金强度。从图 3 和图 4 也可以看出水冷的强度明显高于其它三种冷却方式，从中可以推测出水冷的冷却速度要比其它三种冷却方式快得多。从图 4可以看出在水冷的塑性明显低于其它三种冷却方式，相关文献表明[5]，塑性下降的程度与合金的初生 α 相含量相关，初生 α 相含量越少，塑性降低程度越大。这与本文的结果是相符合的。

2.2.3 固溶冷却方式对蠕变性能的影响

图 5 是经过不同的固溶时效热处理后，Ti60 合金棒材的蠕变（600℃/440MPa/0.5h）性能结果。

从图 5 中可以看出，空冷的蠕变性能最差，随着冷却速度的增加，蠕变性能也随之提高，相关文献表明随着高温钛合金中等轴初生 α 相含量的增加，合金的抗蠕变性能逐渐下降[6]，由于冷却速度越快，初生 α 含量越低，因此蠕变性能提高。

3、 结论

（1）固溶冷却速度增加，会使 Ti60 合金棒材初生 α 尺寸变小，含量降低，并使次生 α 相更加细小。

（2）固溶冷却速度增加，能明显提高 Ti60 合金棒材的室温和 600℃高温拉伸强度，但室温拉伸塑性会明显降低，对 600℃高温拉伸塑性影响较小。

（3）固溶冷却速度增加，有利于提高热稳定（600℃/100h）强度。而热稳定塑性会随着固溶冷却速度增加而降低。

（4）固溶冷却速度增加，有利于提高蠕变性能。

参考文献：

[1]魏寿庸.600℃时高温钛合金（Ti60）的组织和力学性能[J].中国有色金属学报，2010，10（20）：801-806.

[2]罗文忠.固溶处理对 Ti60 合金组织及拉伸性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2010，17（12）：3967-3971.

[3]贾蔚菊.热处理对 Ti60 合金组织及性能的影响[J].中国有色金属学报，2010，11（11）：2136-2141.

[4]赵成成.热处理制度对 Ti60 显微组织和性能的影响[J].装备制造，2013，03（3）：102-106.

[5]段锐.初生 α 相含量对近 α 钛合金 TG6 拉伸性能和热稳定性的影响[J].航空材料学报，2007，06（3）：17-22.

[6]王敏敏.影响钛合金蠕变行为的因素分析[J].稀有金属材料与工程，2002，04（2）：135-139.