热处理工艺对Ti-55511钛合金棒微观组织与拉伸性能的影响

钛及钛合金具有十分优异的性能，例如良好的蠕变性能、断裂韧度、耐高温性以及优异的抗冲蚀性等，在航空工业、高温发动机叶片、医疗器械等领域中广泛使用［1-2］。Ti-55511钛合金是一种富β稳定元素的α+β型两相钛合金，由于该合金具有高强高韧、焊接性能良好以及淬透性优异等特性，在飞机的起落架、底盘、发动机叶片等结构件中得到广泛应用［3］。

目前，关于Ti-55511钛合金热处理工艺的研究较多。牟芃威等［4］对Ti-55511钛合金进行了固溶时效处理，发现合金经固溶时效处理后的力学性能得到明显提升，并且固溶会使组织中形成过饱和固溶体，再经时效处理后，组织中会析出次生α相。辛宏靖等［5］也研究了固溶时效对Ti-55511钛合金组织与力学性能的影响，发现固溶会使组织中发生元素再分配，并发现固溶温度会影响组织中初生α相的比例，且会影响时效时析出次生α相的含量，从而影响合金强度。张颖等［6］对Ti-55511钛合金进行了双重退火处理，发现合金经双重退火处理后，组织为典型的魏氏组织，且试样强度降低，塑性提高。

综上所述，虽然目前较多学者对Ti-55511钛合金的热处理工艺进行了大量研究，但主要均是以普通的固溶时效以及退火工艺为主，未进行新的热处理工艺研究。而BASCA(β退火+缓慢冷却+时效)工艺是一种新提出的热处理工艺，目前仅应用于少量的近β钛合金中。随着近年来Ti-55511钛合金的应用不断增加，尤其是在航天航空领域，故本文将BASCA热处理工艺应用于Ti-55511钛合金中，分析该工艺对Ti-55511钛合金微观组织以及力学性能的影响，为Ti-55511钛合金的热处理工艺研究提供参考。

1、试验材料与方法

试验材料为经多火次锻造而成的Ti-55511钛合金棒材，棒材终锻规格为φ245mm，采用ICP发射光谱仪测试棒材的元素含量，具体结果如表1所示。依据GB/T23605—2020《钛合金β转变温度测定方法》测试棒材β转变温度，测得的β转变温度为890～895℃。

Ti-55511钛合金棒材的原始微观组织如图1所示，该组织主要由β转变组织和α相构成，并有α晶界存在，其中α相尺寸长短不一，α相以大量细小条状为主且平行或交错均匀分布在基体上。

将棒材切割加工，随后对棒材进行BASCA工艺热处理，本文将BASCA工艺细分为BASC工艺与BASCA工艺，区别为是否进行A阶段(即时效处理)，具体热处理方案如表2所示。热处理后，对合金进行微观组织观察，同时测试拉伸性能。其中拉伸性能测试取样方向为L向(棒材纵向)，利用INSTＲON电子万能试验机，依据GB/T228．1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行拉伸试验，每组3个平行试样，最后取3个结果的平均值。合金的相组成使用EmpyreanX射线衍射仪(XＲD)进行分析，Cu靶材，电流为40mA，电压为40kV，扫描速度为10°/min，扫描角度范围为30°～80°。在OLYMPUS光学显微镜下观察显微组织，断口形貌以及高倍微观组织采用SUPＲA55型扫描电镜(SEM)进行观察，使用配比为HF∶HNO₃∶乳酸=1∶3∶5(体积比)的腐蚀剂进行腐蚀。

2、试验结果与讨论

2.1微观组织

图2为合金经BASC工艺处理后的微观组织，与棒材原始微观组织相比，经BASC工艺处理后，组织中α相形貌、分布情况以及尺寸均有所改变。组织中的α相尺寸相比原始组织中的α相有一定程度的增加，α相形貌包括大量条状、少量等轴状以及个别块状。

同时发现组织中β转变组织不明显，α相均匀分布在β基体上。随着BA温度的升高，组织中α相数量以及尺寸有减小现象，这是因为温度升高会使组织中α相发生转变，即发生α→β转变，在升温的过程中，组织中α相发生溶解的顺序与原始组织中α相发生析出的顺序相反，首先是尺寸较小较薄的α相发生溶解，随后是尺寸较大较厚的α相发生溶解，最后导致α相含量以及尺寸减小［7］。

图3为合金经BASCA工艺处理后的微观组织，相比于图2，发现此时组织中β转变组织明显，组织变得更加均匀稳定。β转变组织变得明显，说明合金经BASCA工艺中的时效处理后(A阶段)，组织中的亚稳定β相发生分解，析出更多次生α相以及稳定的低温β相。结合图2、图3可知，BA温度可影响组织中α相尺寸，也可影响组织中α相形貌。当BA温度较低时，低温导致原子扩散能力下降，在SC阶段的冷却过程中，组织中形成的亚稳定β相含量较少，导致在A阶段析出次生α相能力减弱。当BA温度升高，SC阶段形成的亚稳定β相含量增加，导致A阶段析出的次生α相含量增加，组织中次生α相的弥散度增大，组织更加稳定。

2.2物相分析

图4(a)为合金经BASC工艺处理后的XＲD图谱。合金在加热过程中会发生α→β相转变，在加热结束后的冷却过程中，组织会产生β→α相转变。研究表明［8-9］，在冷却过程中，β相会进行β→α'、β→α″以及β→α3种类型的转变，α'相与α″相主要是以切变方式进行转变，α相主要是以扩散方式进行转变。

而过冷度的大小是决定发生何种转变方式的主要因素，当组织中产生较大过冷度时，β相会以切变转变的形式转变为α'相或α″相，当组织中产生较小过冷度时，β相会通过扩散转变形成α相。在BASC工艺中，合金首先随炉冷却至750℃，此过程为缓慢的炉冷，产生十分小的过冷度，随后再进行空冷，因为该阶段进行冷却的温度较低，且冷却方式为空冷，其产生的过冷度较小，故组织中形成α相。也有文献指出［9］，通常情况下，水冷产生的过冷度是组织中发生切变转变的必备条件，故经BASC工艺处理后，合金的衍射峰主要由α相与β相构成。

图4(b)为合金经BASCA工艺处理后的XＲD图谱，因为合金在该工艺中会进行一次时效处理，该过程会使组织中的亚稳定β相发生分解，最终形成稳定的α相与β相。同时发现，当BA温度发生变化时，XＲD图谱中α相与β相的衍射峰强度有所改变，这是由于不同的BA温度会使β转变组织中元素含量发生改变。在BA温度升高的过程中，β转变组织中的β类稳定元素Mo、V的含量会有所降低，二者会影响晶格常数或占据特定的晶位，其含量的变化会影响到晶格或晶位的状态，从而影响衍射峰强度。

此外，BA温度升高还会使得α类稳定元素Al的含量增加，其会导致α相的晶体结构发生变化，比如晶格常数、晶胞体积等，这些变化也会直接影响到α相的衍射峰强度。即改变BA温度会使得β转变组织中的元素发生再分配现象，进而导致衍射峰的强度发生变化［10-11］。

2.3拉伸性能

图5为合金经BASC与BASCA工艺处理后Ti55511钛合金的室温拉伸性能，由图5可知，合金经BASC工艺处理后，强度随着BA温度的升高而升高，而塑性呈现相反趋势。合金经BASCA工艺处理后，其拉伸性能变化趋势与BASC工艺处理后一致。经比较，合金经BASCA工艺处理后，强度更高，但塑性略差。经BASCA工艺处理后，当BA温度为855℃时，合金强度最大，其最大抗拉强度(Ｒm)为1131MPa，最大屈服强度(Ｒp0．2)为1034MPa。经BASC工艺处理后，当BA温度为815℃时合金塑性最佳，其断后伸长率(A)为23%，断面收缩率(Z)为45%。

当合金经BASC工艺处理后，BA温度较低时，组织中初生α相含量较多，这会减小组织滑移带之间距离，大量初生α相会使组织内部位错线更加细密和均匀，减小在晶界处产生的位错塞积，延迟拉伸过程中孔洞的形核与生长，拉伸试样在断裂前会有较大的形变，提升合金塑性［12］。同时，合金的组织中存在较多等轴状以及条状的初生α相，二者与β基体之间不存在固定位向关系，在塑性变形时，位错形成后会遇到较容易开动的滑移面，对塑性变形产生协调作用，使得合金塑性较高［13］。随着BA温度升高，组织中初生α相含量降低，且析出次生α相含量增加，由于组织中初生α

相对合金的塑性有较大的影响，其含量越多塑性越好，故初生α相含量降低导致合金塑性降低。同时组织中析出较多次生α相，加大其互相交织的紧密程度，增强弥散强化效果，增加位错运动的障碍，故合金强度增加［14-15］。

当合金经BASCA工艺处理后，时效过程会使亚稳定β相分解，形成大量弥散均匀的次生α相，增加组织中α相与β相的相界面，增加位错运动过程中的阻碍，且随着BA温度的不断升高，组织中亚稳定β相的数量增加，从而使得在时效过程中析出更多次生α相，导致合金强度更高［16］。

2.4拉伸断口微观形貌

图6为合金经BASC工艺处理后拉伸试样断口微观形貌，发现其断口形貌主要以韧窝为主，韧窝尺寸较大且深。韧窝是判断塑性大小的主要因素之一，韧窝一般存在于塑性好的材料内，且具有吸收较高能量的作用，韧窝尺寸与深浅一定程度上会体现该合金受到应力的状态以及延展性［17-18］。故当断口形貌中韧窝尺寸越大且深度越深时，合金的塑性越好。同时发现，随着BA温度的升高，断口中除韧窝外，其撕裂棱形貌越加明显，意味着合金强度不断升高。

图7为合金经BASCA工艺处理后的拉伸断口微观形貌，发现断口中除韧窝外还存在较多的二次裂纹，二次裂纹通常是拉伸试样在纤维区发生断裂时形成的［19］。此外，合金经时效处理后，其组织中存在大量针状次生α相，当裂纹在扩展过程中遇到次生α相时，会产生裂纹分枝现象，导致组织中有二次裂纹形成，二次裂纹的形成需要更多的能量，二次裂纹还对裂纹扩展起到一定抑制作用［20］，使得合金的强度较高，故经BASCA工艺处理后合金的强度较高，与图5结果相一致。组织中的大量次生α相还会使经BASCA工艺处理后的合金断口形貌有明显的高低起伏，这是由于在发生断裂的过程中，次生α相会增加裂纹扩展路径的曲折性，因此断口微观形貌呈现出高低起伏的崎岖形貌。

3、结论

1)Ti-55511钛合金棒经BASC(β退火+缓慢冷却)工艺处理后，组织中的α相尺寸相比合金原始组织中的α相有一定程度的增加，组织中α相形貌包括大量条状、少量等轴状以及个别块状。经BASCA(β退火+缓慢冷却+时效)工艺处理后，合金中β转变组织明显，组织变得更加均匀稳定。BA(β退火)温度可影响组织中α相尺寸及形貌。

2)在BASC与BASCA工艺中，合金强度均随BA温度的升高而升高，而塑性则呈相反趋势。经BASCA工艺处理后，当BA温度为855℃时，合金强度最大，其最大抗拉强度(Ｒm)为1131MPa，最大屈服强度(Ｒp0．2)为1034MPa。经BASC工艺处理后，当BA温度为815℃时合金塑性最佳，其断后伸长率(A)为23%，断面收缩率(Z)为45%。

3)合金经BASC工艺处理后的断口形貌主要以韧窝为主，韧窝形貌较大且深，随BA温度升高，断口中撕裂棱形貌越加明显。经BASCA工艺处理后，合金断口微观形貌中除韧窝外还存在二次裂纹，且断口呈现出高低起伏的崎岖形貌。

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