文/杜趙新·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

高強(qiáng)β鈦合金的高溫鍛造及其鍛后熱處理研究

文/杜趙新·內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

杜趙新，講師，工學(xué)博士，主要從事高強(qiáng)鈦合金的高溫鍛造工藝及理論研究工作，主持或參與國(guó)家自然基金、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古高等學(xué)?？茖W(xué)基金等項(xiàng)目，發(fā)表SCI收錄論文10余篇，擁有授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)。

鈦合金因具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在航空、航天及汽車和船舶等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。鈦及鈦合金自20世紀(jì)50年代初被首次應(yīng)用在飛機(jī)上之后，其在航空領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，如在F-22戰(zhàn)斗機(jī)中鈦合金的用量已經(jīng)達(dá)到41%。一般認(rèn)為，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單熱處理后室溫強(qiáng)度大于1100MPa的鈦合金被稱為高強(qiáng)鈦合金，而超過(guò)1250MPa則被稱為超高強(qiáng)度鈦合金。鈦合金一般包括α+β型兩相鈦合金和β型鈦合金，而其中β型鈦合金不僅具有良好的冷熱加工性能及易鍛造性能，最重要的是可以通過(guò)固溶及時(shí)效熱處理工藝而獲得較高的力學(xué)性能。相比較α+β型合金，β型鈦合金具有更加優(yōu)異的深硬化能力，而且在板材生產(chǎn)過(guò)程中的淬火歪扭問(wèn)題等方面也比α+β型合金顯得更加優(yōu)越。雖然β鈦合金的密度要略高于α+β型合金，但是其在所有鈦合金中具有最高的“強(qiáng)度—質(zhì)量比“。

β型高強(qiáng)鈦合金最主要的特點(diǎn)是其在所有鈦合金中具有最高的“強(qiáng)度—質(zhì)量比“，影響其力學(xué)性能的三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要有合金成分設(shè)計(jì)、鍛造工藝以及鍛后熱處理工藝。對(duì)于某一種高強(qiáng)β鈦合金來(lái)說(shuō)，鍛造工藝以及鍛后熱處理是其中非常關(guān)鍵且必不可少的部分，關(guān)系到合金在后續(xù)的機(jī)械熱加工中是否能夠達(dá)到所要求的力學(xué)性能。

鈦合金的鍛造工藝

目前，鈦合金的鍛造工藝大概分為α+β鍛造、β鍛造、近β鍛造和準(zhǔn)β鍛造四種，其中，比較有代表性的兩種鍛造工藝為α+β鍛造和β鍛造。α+β鍛造也叫常規(guī)鍛造，是指合金在β相轉(zhuǎn)變溫度以下30～50℃進(jìn)行加熱、變形。α+β鍛造是最常用的一種鍛造方法，以α+β兩相合金為例，采用α+β鍛造后得到由等軸α相、長(zhǎng)條狀α相和β相轉(zhuǎn)變基體組成的雙態(tài)組織，合金具有較好的室溫強(qiáng)度與塑性，但是高溫性能以及斷裂韌性要低。

20世紀(jì)50年代后期，Groan等人提出β相變點(diǎn)以上β鍛造理論，β鍛造是指鈦合金完全在β相的較高溫度下進(jìn)行的鍛造。β鍛造的最大優(yōu)點(diǎn)是變形抗力小，鍛件精密度高，生產(chǎn)效率和模鍛設(shè)備壽命都能得到提升，采用β鍛造的鈦合金的強(qiáng)度與塑性略有下降，但是其斷裂韌性及蠕變強(qiáng)度較好。

然而，采用β鍛造的鈦合金斷面收縮率急劇下降，基于此問(wèn)題，我國(guó)鈦合金領(lǐng)域?qū)＜抑熘獕鄣热颂岢隽艘环N新的鍛造工藝—準(zhǔn)β鍛造。準(zhǔn)β鍛造是將坯料在β相變點(diǎn)以下預(yù)熱40～80min，然后隨爐升溫至β相變點(diǎn)以上10～20℃短時(shí)加熱后進(jìn)行鍛造，鍛后迅速水冷或空冷。在需要第二火以上的鍛造時(shí)，加熱溫度為β相變點(diǎn)以上20～40℃。采用準(zhǔn)β鍛造的鈦合金塑性與α+β鍛造鈦合金差別不大，已有研究表明，采用常規(guī)α+β鍛造或準(zhǔn)β鍛造工藝，常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能都滿足技術(shù)條件的要求，但與α+β鍛造相比，準(zhǔn)β鍛造鍛件的斷裂韌性與疲勞極限都得到提高。

近β鍛造是由我國(guó)學(xué)者周義剛20世紀(jì)80年代提出的，其原理是將坯料置于相變點(diǎn)以下10～15℃加熱、鍛造、鍛后水冷，隨后進(jìn)行高溫韌化和低溫強(qiáng)化處理。近β鍛造工藝將等軸和網(wǎng)籃組織的性能優(yōu)勢(shì)集于一身，由此帶來(lái)的力學(xué)性能超過(guò)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的性能水平，能在不降低塑性，不喪失熱穩(wěn)定性的前提下，提高材料的高溫性能、低周疲勞性能和斷裂韌性。由于近β鍛造是在相變點(diǎn)以下10～15℃進(jìn)行鍛造，所以控制鍛造加熱溫度就成了最大的技術(shù)難點(diǎn)。材料化學(xué)成分的不均勻，加熱爐爐溫的不均勻性和鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)，都會(huì)影響鍛造實(shí)際加熱溫度。

從以上闡述中不難看出，以上四種鈦合金的鍛造工藝是以鍛造溫度來(lái)劃分的，這說(shuō)明鍛造溫度對(duì)鈦合金的影響非常重要，尤其對(duì)于β型高強(qiáng)鈦合金來(lái)說(shuō)，變形溫度的影響至關(guān)重要。相比于其他幾種類型的鈦合金來(lái)說(shuō)，β鈦合金中含有較多的β穩(wěn)定性元素，從而降低了其相轉(zhuǎn)變溫度。另外，β穩(wěn)定性元素的增加，使其保留β相的能力增加，從而也調(diào)高合金的變形能力。鈦合金中的β相變形能力最好，因此在β單相區(qū)變形時(shí)的變形抗力低，可以進(jìn)行較大變形量下的開(kāi)坯鍛造，而在α+β兩相區(qū)變形時(shí)，合金可以獲得更小的晶粒尺寸，同時(shí)積聚大量的變形能及晶體缺陷等，為后續(xù)的熱處理強(qiáng)化提供結(jié)晶。

高強(qiáng)β鈦合金的高溫鍛造

實(shí)驗(yàn)用材料為β型高強(qiáng)鈦合金Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe，其β相轉(zhuǎn)變溫度為815℃。β鈦合金的α+β→β相轉(zhuǎn)變溫度對(duì)合金尤為重要，其決定了鈦合金的熱加工工藝參數(shù)等重要過(guò)程。鈦合金一般要經(jīng)過(guò)不同的機(jī)械熱處理工藝后以獲得所需要的性能，而相變溫度決定著其高溫機(jī)械熱處理的工藝，尤其是β型鈦合金，其組織性能對(duì)熱加工溫度尤其敏感，根據(jù)其相變溫度可制定常規(guī)鍛造、近β鍛造、準(zhǔn)β鍛造和β鍛造等加工工藝，以及后續(xù)的熱處理強(qiáng)化工藝等。合金鍛造工藝如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)β鈦合金高溫鍛造工藝

在鍛造合金之前，切除鑄錠上下表面以及側(cè)面的缺陷部分，鑄錠表面使用清洗劑清洗油污。合金的高溫鍛造方式為自由鍛造，為保證合金組織的均勻性，合金進(jìn)行多火次鍛造。合金首先在β高溫單相區(qū)保溫兩小時(shí)后開(kāi)坯，以破碎鑄態(tài)原始的大尺寸晶粒組織，隨后合金在α+β兩相區(qū)進(jìn)行反復(fù)鐓拔，在兩相區(qū)變形是為了獲得一定數(shù)量的α相。

圖2 Ti-3.5Al-5Mo-6V-3Cr-2Sn-0.5Fe合金鍛態(tài)組織

圖2為合金鍛態(tài)組織的橫截面與縱截面的SEM圖像，可以看到大量呈黑灰色的等軸α相分布在基體之中，而在縱截面的圖像中包含等軸或近等軸α相。在兩相區(qū)鍛造時(shí)，α相可以起到抑制β晶粒長(zhǎng)大的作用。圖3為鈦合金鍛后的EBSD組織分析，鍛造后的鈦合金內(nèi)部產(chǎn)生大量的亞晶，且尺寸非常小，只有幾微米。對(duì)鍛造后的合金進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，可以看到鍛造后的合金具有非常優(yōu)異的塑性，但是強(qiáng)度相對(duì)較低，因此需要對(duì)合金進(jìn)行后續(xù)的熱處理強(qiáng)化。

圖3 高強(qiáng)β鈦合金鍛后EBSD組織分析（GOS）

圖4 合金鍛態(tài)拉伸曲線

高強(qiáng)β鈦合金的鍛造熱處理

β鈦合金的熱處理一般包括固溶和時(shí)效兩個(gè)部分。固溶處理可以有效減小或消除工件熱加工過(guò)程中由于變形不均勻、溫度不均勻及內(nèi)部發(fā)生相變與再結(jié)晶造成的組織不均勻。β鈦合金的固溶溫度較高，一般選擇在略高于或者略低于合金的β相變點(diǎn)，在α+β兩相區(qū)固溶后會(huì)得到初生α相，在β單相區(qū)固溶時(shí)組織由單一β相組成。經(jīng)高溫固溶后的β鈦合金會(huì)得到亞穩(wěn)的β相，亞穩(wěn)的β相會(huì)在低溫時(shí)效的過(guò)程中發(fā)生分解，產(chǎn)生細(xì)小彌散分布的次生α相，次生α相一般會(huì)與β基體保持一定的位向關(guān)系，β鈦合金一般都要通過(guò)低溫時(shí)效熱處理產(chǎn)生次生α相來(lái)使合金得到強(qiáng)化。

圖5為合金在α+β兩相區(qū)775℃固溶后，再經(jīng)較低溫度時(shí)效后的SEM組織。從圖5中可以看出合金經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效熱處理后的顯微組織由等軸α相、針狀的次生α相和β基體組成。固溶時(shí)產(chǎn)生的初生α相分布在晶界上，限制了β晶粒的長(zhǎng)大，因而合金在α+β兩相區(qū)固溶及時(shí)效條件下的晶粒非常小，只有幾個(gè)微米。另外，隨著時(shí)效溫度的升高，合金中的次生α相的尺寸也逐漸增大。

圖5 合金在不同時(shí)效溫度下的顯微組織

表1 β鈦合金在不同熱處理?xiàng)l件下的拉伸性能

對(duì)合金不同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果列于表1中。相比其他鍛態(tài)合金來(lái)說(shuō)，β鈦合金經(jīng)過(guò)時(shí)效后的強(qiáng)度增加非常明顯，且時(shí)效溫度越低，強(qiáng)度越高。雖然熱處理后合金的塑性略有降低，但是其強(qiáng)度與塑性的匹配要更高。

結(jié)束語(yǔ)

高強(qiáng)β鈦合金在β單相區(qū)變形時(shí)變形抗力低，適于進(jìn)行開(kāi)坯及初步鍛造，在兩相區(qū)鍛造時(shí)可以盡量細(xì)化晶粒，并獲得一定數(shù)量的α相。高強(qiáng)β鈦合金鍛造后的強(qiáng)度較低，需要進(jìn)行鍛后熱處理強(qiáng)化，并且根據(jù)固溶及時(shí)效溫度的不同以獲得不同數(shù)量的初生及次生α相，從而獲得不同力學(xué)性能的匹配。