供稿|黃杰，陳永輝，高飛，王勤波，王娟華，王新，王儉 / HUANG Jie, CHEN Yong-hui, GAO Fei, WANG Qin-bo, WANG Juan-hua, WANG Xin, WANG Lian

內(nèi)容導(dǎo)讀

由于飛機(jī)零部件的獨(dú)特性能要求，損傷容限特性良好就成為選材的關(guān)鍵。β熱處理的Ti-6Al-4VELI鈦合金雖然具備該條件，但β熱處理溫度對(duì)Ti-6Al-4VELI厚板板材顯微組織和力學(xué)性能的影響十分顯著。通過對(duì)熱處理溫度方面的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相變點(diǎn)以上熱處理時(shí)，板材組織為魏氏體組織，其溫度高低對(duì)其組織和力學(xué)性能的影響較小。但當(dāng)溫度未達(dá)到相變點(diǎn)以上溫度時(shí)，板材組織即成為存在少量的等軸α晶粒的雙態(tài)組織，無法完全形成魏氏體。所以Ti-6Al-4V ELI厚板材在β熱處理時(shí)，其熱處理的溫度對(duì)成品組織及性能極為關(guān)鍵。

Ti-6Al-4V鈦合金因具有良好的力學(xué)性能、加工成型與焊接等綜合性能，是目前國(guó)際上應(yīng)用最多的一種典型鈦合金。Ti-6Al-4V ELI鈦合金是在普通Ti-6Al-4V鈦合金基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，通過降低間隙元素，限窄Al、V合金元素和β熱處理等措施，大大提高了其斷裂韌性，降低了裂紋擴(kuò)展速率，特別適合制造采用損傷容限設(shè)計(jì)的飛機(jī)零部件，是飛機(jī)長(zhǎng)壽命高可靠性損傷容限設(shè)計(jì)用的骨干鈦合金材料。損傷容限是一種較新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，是指結(jié)構(gòu)材料經(jīng)受定量的疲勞、腐蝕意外或是離散源損傷，在使用周期內(nèi)，結(jié)構(gòu)材料保持其所要求的剩余強(qiáng)度的能力[1]。近年來，國(guó)外先進(jìn)的軍用和民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)中都貫徹了損傷容限的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，β熱處理的Ti-6Al-4VELI合金因其具有高斷裂韌性而獲得了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)航空領(lǐng)域技術(shù)水平正在不斷向發(fā)達(dá)國(guó)家靠近的今天，生產(chǎn)β熱處理的Ti-6Al-4VELI合金是我國(guó)鈦合金產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向。但目前為止，我國(guó)大量應(yīng)用的Ti-6Al-4V鈦合金板材基本都屬于兩相區(qū)加工組織(可統(tǒng)稱為等軸組織)，加工經(jīng)驗(yàn)最多，技術(shù)最為成熟。而魏氏體組織的鈦合金尚無實(shí)際應(yīng)用。這兩種板材組織的不同表明產(chǎn)品性能差異較大，因此若想要實(shí)際應(yīng)用魏氏體組織的鈦合金則需要通過實(shí)驗(yàn)來確定產(chǎn)品的最佳性能。

實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料為寶鈦集團(tuán)提供的經(jīng)過兩次真空自耗熔煉的Ti-6Al-4V ELI鑄錠，相變點(diǎn)采用金相法實(shí)測(cè)為970～980℃，化學(xué)成分符合AMS4905規(guī)定要求。鑄錠經(jīng)由3150T鍛造機(jī)進(jìn)行開坯鍛造，在1200 mm熱軋機(jī)軋制出厚度為75 mm的Ti-6Al-4VELI板材。熱處理爐選用符合AMS2750E要求的，設(shè)備級(jí)別為四級(jí)的熱處理爐。熱處理溫度選用了三個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度，分別為：980、1000和1020℃。在熱處理后分別在板材表層及中心層取樣。試樣經(jīng)加工后測(cè)試其力學(xué)性能及顯微組織。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法按照EN2002-1進(jìn)行，顯微組織實(shí)驗(yàn)方法按照ASTM E112執(zhí)行。

數(shù)據(jù)分析

魏氏體組織的Ti-6Al-4V ELI鈦合金具有較高的平面應(yīng)變斷裂韌性和低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，其抗蠕變能力和持久強(qiáng)度也較高，產(chǎn)品損傷容限特性好，而通過β熱處理的Ti-6Al-4V ELI鈦合金板材是獲得魏氏體組織的有效途徑。但是β熱處理必須在β單相區(qū)加熱，熱處理溫度高，鈦合金在β熱處理時(shí)晶粒有快速長(zhǎng)大的傾向，而且隨著溫度的升高，長(zhǎng)大速率明顯增加，粗大的原始β晶粒勢(shì)必降低材料的塑性性能。同時(shí)由于厚板板材存在變形不一致，板材在厚度方向和縱橫方向的組織均勻性差異也將導(dǎo)致板材力學(xué)性能不一致。因此為了獲得綜合匹配的Ti-6Al-4V ELI厚板板材性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中主要測(cè)試了板材組織差異、縱橫向力學(xué)性能差異以及板材表面層與中心層力學(xué)性能的差異。

Ti-6Al-4V ELI板坯相變點(diǎn)通過金相法測(cè)試實(shí)測(cè)為970～980℃，因?yàn)槲覀冃枰陌宀慕M織為魏氏體組織，這就要求必須保證熱處理時(shí)板材組織的完全轉(zhuǎn)變，所以熱處理溫度必須處于相變點(diǎn)以上。由于原始β晶粒極易長(zhǎng)大，因此選取的熱處理溫度也不能過高，防止β晶粒過大導(dǎo)致板材塑性降低。最終在實(shí)驗(yàn)中選取熱處理溫度為980、1000和1020℃。

熱處 理制度對(duì)板材顯微組織的影響

經(jīng)過980℃熱處理后Ti-6Al-4V ELI厚板板材的顯微組織見圖1。由圖1可以看出，Ti-6Al-4V ELI 厚板板材在經(jīng)過980℃熱處理后，鈦合金板材組織主要為雙態(tài)組織，雙態(tài)組織中的α有兩種形態(tài)，一種是等軸狀的初生α，另一種是β轉(zhuǎn)變組織中的片狀α。由于板坯經(jīng)金相法實(shí)測(cè)相變點(diǎn)為970～980℃，而熱處理溫度為980℃，本次實(shí)驗(yàn)所用的熱處理爐為符合AMS 2750E要求的四級(jí)爐，爐溫均勻性要求為±10℃(TUS)，因此若是考慮到熱處理爐的溫度均勻性波動(dòng)，這有可能造成板材實(shí)際熱處理溫度未能達(dá)到相變點(diǎn)以上，導(dǎo)致板材組織存在少量的等軸組織，未能完全魏氏體化。

而圖2和圖3為Ti-6Al-4V ELI 厚板板材經(jīng)過1000和1020℃熱處理，熱處理溫度保證了在板材相變點(diǎn)以上，因此圖中顯示板材經(jīng)熱處理后的組織均為魏氏體組織，無任何等軸狀組織。

從實(shí)驗(yàn)中我們確認(rèn)了Ti-6Al-4V ELI厚板板材的β熱處理必須確保熱處理溫度處于β轉(zhuǎn)變溫度以上方能保證板材組織的完全轉(zhuǎn)變，熱處理時(shí)還必須考慮到熱處理爐的爐溫均勻性問題。因此在采用符合AMS 2750E要求的四級(jí)熱處理爐時(shí)，建議熱處理溫度在相變點(diǎn)以上20℃作為β熱處理溫度，以保證板材組織的完全轉(zhuǎn)變。

熱處 理制度對(duì)板材力學(xué)性能的影響

圖1 Ti-6Al-4V ELI板材經(jīng)過980℃熱處理后顯微組織：(a) 表層；(b) 中心層

圖2 Ti-6Al-4V ELI板材經(jīng)過1000℃熱處理后的顯微組織 ：(a) 表層；(b) 中心層

圖3 Ti-6Al-4V ELI板材經(jīng)過1020℃熱處理后的顯微組織 ：(a) 表層；(b) 中心層

表1 經(jīng)過980℃熱處理后Ti-6Al-4V ELI 75 mm 厚板板材的力學(xué)性能

表2 經(jīng)過1000℃熱處理后Ti-6Al-4V ELI 75 mm 厚板板材的力學(xué)性能

從表1～3數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，980℃熱處理時(shí)板材表層與中心層在強(qiáng)度及延伸率上差異較小，且數(shù)值較高，較為穩(wěn)定。反應(yīng)在顯微組織上則均為雙態(tài)組織，為少量等軸α晶粒和片層狀組織，這應(yīng)該是板材組織未能實(shí)現(xiàn)完全的β相轉(zhuǎn)變，板材實(shí)際溫度處于β轉(zhuǎn)變溫度附近，造成了板材組織未能轉(zhuǎn)變成為魏氏體，形成了等軸α和β轉(zhuǎn)變組織中的片狀α的雙態(tài)組織。由于熱處理溫度未能達(dá)到相變點(diǎn)以上，雙態(tài)組織中的α相晶粒長(zhǎng)大較為緩慢，因此在熱處理后板材表層與中心層組織基本一致，力學(xué)性能也較為接近。而1000℃熱處理時(shí)板材表層與中心層在強(qiáng)度及延伸率上有一定差異，但差異不大，強(qiáng)度與塑性匹配較好，板材在顯微組織上則是全部轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w組織，無等軸α晶粒的存在。1020℃熱處理時(shí)表層與中心層在強(qiáng)度及延伸率有一定的差異，表層板材屈服強(qiáng)度與1000℃熱處理的板材接近，但延伸率偏低，而中心層板材延伸率與1000℃熱處理板材接近，但屈服強(qiáng)度較低，板材的顯微組織也是全部轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w組織。此外，反應(yīng)在高向拉伸方面，隨著溫度的提高，板材強(qiáng)度及塑性均顯示為下降，分析認(rèn)為主要是由于鈦合金熱透性較差。因此隨著熱處理溫度的提高，Ti-6Al-4V ELI厚板板材在熱處理時(shí)板材表層及中心層組織會(huì)逐漸產(chǎn)生一定的差異，尤其是熱處理溫度高于相變點(diǎn)時(shí)，β晶粒長(zhǎng)大速度較快，因此溫度越高，板材表層與中心層組織差異越大，這就導(dǎo)致高向拉伸強(qiáng)度及塑性隨著熱處理溫度的提高而下降。

表3 經(jīng)過1020℃熱處理后Ti-6Al-4V ELI 75 mm 厚板板材的力學(xué)性能

結(jié)束語

β熱處理的Ti-6Al-4VELI鈦合金對(duì)熱處理溫度較為敏感。首先，Ti-6Al-4V ELI厚板板材的β熱處理必須保證熱處理溫度在相變點(diǎn)以上，這才能確保板材組織能夠完全轉(zhuǎn)變形成魏氏體組織，無等軸α晶粒的存在。在工業(yè)化生產(chǎn)過程中必須考慮熱處理設(shè)備實(shí)際的溫度波動(dòng)，防止因熱處理爐溫度波動(dòng)導(dǎo)致實(shí)際板材熱處理溫度偏低，從而造成板材組織出現(xiàn)等軸組織或雙態(tài)組織。其次，Ti-6Al-4V ELI厚板板材的β熱處理溫度選定在1000℃時(shí)，其強(qiáng)塑性匹配較好，且表層與中心層組織差異小。

[1] 莫畏. 鈦的金屬學(xué)和熱處理. 北京：冶金工業(yè)出版社，2009