王新南，朱知壽，商國強(qiáng)，信云鵬，祝力偉，李 靜，李明兵，劉格辰

(中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引 言

Ti-6Al-4V ELI是20世紀(jì)60年代美國研發(fā)的中強(qiáng)高損傷容限型鈦合金，該合金是在Ti-6Al-4V合金的基礎(chǔ)上，通過純凈化熔煉降低間隙型合金元素含量和通過β熱處理工藝獲得片層組織，使之具有更高的斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值等損傷容限性能。該合金已成功應(yīng)用于歐美的民用客機(jī)和軍用飛機(jī)的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件中，如F-16戰(zhàn)斗機(jī)的水平尾翼轉(zhuǎn)軸、波音767第一號(hào)駕駛艙擋風(fēng)玻璃窗骨架、波音777客機(jī)的安定面連接接頭等[1-3]。

我國自“十五”開始研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中等強(qiáng)度損傷容限型鈦合金應(yīng)用技術(shù)，如將新型的準(zhǔn)β熱處理工藝應(yīng)用于國產(chǎn)TC4-DT中強(qiáng)高損傷容限型鈦合金，使其在具有良好損傷容限性能的同時(shí)仍能保持良好的強(qiáng)度和塑性水平，減弱了因β熱處理片層組織粗化而導(dǎo)致的強(qiáng)度和塑性大幅下降的趨勢(shì)[4-8]。

應(yīng)我國新一代飛機(jī)高減重、長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)使用需求，鈦合金結(jié)構(gòu)件不斷向大型化、整體化方向發(fā)展[9-12]，如二重萬航模鍛公司和三角防務(wù)分別采用普通模鍛和熱模鍛方式成形了投影面積達(dá)5 m2以上的TC4-DT鈦合金特大型整體鍛件。隨著鈦合金鍛件的大型化，超厚鍛件的應(yīng)用越來越多。為充分熱透，超厚鍛件的熱處理保溫時(shí)間長(zhǎng)，而損傷容限型Ti-6Al-4V ELI合金采用β工藝長(zhǎng)時(shí)間熱處理時(shí)，塑性等性能易惡化，因此有必要研究熱處理工藝對(duì)該合金厚截面鍛件力學(xué)性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原材料為國產(chǎn)φ450 mm的Ti-6Al-4V ELI合金棒材，采用C5t自由鍛錘,以相同的兩相區(qū)鍛造工藝將其加工成6件δ200 mm厚截面鍛件，鍛件尺寸均為200 mm(H)×230 mm(T)×300 mm(L)，相變點(diǎn)溫度為975 ℃。

對(duì)6件δ200 mm鍛件開展不同溫度的β熱處理工藝和準(zhǔn)β熱處理工藝的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體方案如表1所示。第一重退火的加熱溫度分別為Tβ+15 ℃、Tβ+30 ℃、Tβ+60 ℃，保溫時(shí)間分別為180 min(β熱處理工藝，熱透時(shí)間按0.8系數(shù)計(jì)算，保溫時(shí)間按熱透后心部再保溫20 min計(jì)算)、60 min(準(zhǔn)β熱處理工藝，相變點(diǎn)以上按0.3的加熱系數(shù)計(jì)算)。第二重退火均采用730 ℃×2 h/AC。

表1Ti-6Al-4VELI合金鍛件的熱處理工藝

Table 1 Heat treatment processes of Ti-6Al-4V ELI

對(duì)6種工藝熱處理后的鍛件進(jìn)行高低倍組織、拉伸性能、斷裂韌度、疲勞裂紋擴(kuò)展速率的測(cè)試和斷口分析。高倍和低倍組織按GB/T 5168標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，低倍組織試樣取自鍛件中部的橫截面。顯微組織試樣取自鍛件中部的H/2處，采用OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。拉伸性能按 ASTM E8/E8M標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，采用工作區(qū)直徑為 6 mm的圓棒形試樣，拉伸試驗(yàn)在INSTRON 5887拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。斷裂韌度按ASTM E399標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，試樣厚度為35 mm，在MTS 810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞裂紋擴(kuò)展速率按GB/T 6398標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，試樣厚度為12.5 mm，在MTS 810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。在Camscan 3100型掃描電子顯微鏡上觀察疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的斷口形貌。在OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡下觀察疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣的裂紋擴(kuò)展路徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理工藝對(duì)厚截面鍛件拉伸性能的影響

表2為Ti-6Al-4V ELI合金厚截面鍛件經(jīng)不同工藝熱處理后的拉伸性能。從表2可以看出，第一重退火溫度為Tβ+15 ℃時(shí)，準(zhǔn)β熱處理工藝的強(qiáng)度略高于β熱處理工藝。第一重退火溫度為Tβ+30 ℃和Tβ+60 ℃時(shí)，準(zhǔn)β熱處理工藝的強(qiáng)度與β熱處理工藝的強(qiáng)度水平相當(dāng)。

表2Ti-6Al-4VELI合金鍛件經(jīng)不同工藝熱處理后的拉伸性能

Table 2 Tensile properties of Ti-6Al-4V ELI alloy forgings

在塑性方面，無論是β熱處理工藝還是準(zhǔn)β熱處理工藝，隨著第一重退火加熱溫度從Tβ+15 ℃升高到Tβ+30 ℃、Tβ+60 ℃，塑性均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。同時(shí)可以看出，第一重退火溫度為Tβ+15 ℃和Tβ+30 ℃時(shí),準(zhǔn)β熱處理工藝的塑性明顯優(yōu)于β熱處理工藝。采用Tβ+15 ℃的β熱處理工藝時(shí)，延伸率在9%左右；采用Tβ+15 ℃的準(zhǔn)β熱處理工藝時(shí)，延伸率在12%左右。采用Tβ+30 ℃的β熱處理工藝時(shí)，縱向延伸率已下降至8%以下；而采用Tβ+30 ℃的準(zhǔn)β熱處理工藝時(shí)，縱向和橫向的延伸率仍能保持在10%以上的水平。第一重退火溫度為Tβ+60 ℃時(shí)，準(zhǔn)β熱處理工藝的塑性與β熱處理工藝的塑性水平相當(dāng)。

β熱處理工藝采用的都是將坯料直接在β相區(qū)加熱的方法。由于鈦合金的熱導(dǎo)率比較低，僅是鋼的1/3，所以β熱處理規(guī)定的β區(qū)域的保溫時(shí)間都比較長(zhǎng)，加熱系數(shù)一般都在0.8以上。相比同樣加熱溫度的β熱處理工藝，準(zhǔn)β熱處理工藝在強(qiáng)度水平相當(dāng)?shù)那疤嵯?，保證了良好的塑性水平。這主要?dú)w因于鍛件在α+β相區(qū)充分預(yù)熱，減少了在β區(qū)的停留時(shí)間，使其既保留片層組織優(yōu)異的損傷容限性能，同時(shí)又減弱因片層組織粗化而導(dǎo)致的強(qiáng)度和塑性大幅下降的趨勢(shì)。

2.2 熱處理工藝對(duì)厚截面鍛件組織的影響

圖1為Ti-6Al-4V ELI合金鍛件經(jīng)第一重退火溫度為Tβ+15 ℃的β工藝和準(zhǔn)β工藝熱處理后的高低倍組織。從圖1可以看出，準(zhǔn)β熱處理工藝下的低倍組織(圖1b)比β熱處理工藝(圖1a)更細(xì)小、模糊。β熱處理工藝和準(zhǔn)β熱處理工藝下的顯微組織均為典型的片層組織。β熱處理工藝下的β晶粒尺寸約為1 100 μm(圖1c)，準(zhǔn)β熱處理工藝的β晶粒尺寸約為730 μm(圖1d)。準(zhǔn)β熱處理工藝的β晶粒尺寸和α集束尺寸較小，與β熱處理工藝相比具有相對(duì)較短的滑移間距，故塑性得到改善。

圖1 Ti-6Al-4V ELI合金鍛件經(jīng)不同工藝熱處理后的高低倍組織Fig.1 Macrostructures and microstructures of Ti-6Al-4V ELI alloy forgings of different heat treatment processes：(a)macrostructure of process 1#；(b)macrostructure of process 2#；(c)microstructure of process 1#；(d)microstructure of process 2#

2.3 熱處理工藝對(duì)厚截面鍛件斷裂韌度的影響

表3為Ti-6Al-4V ELI合金厚截面鍛件經(jīng)不同工藝熱處理后的斷裂韌度水平。從表3可以看出，當(dāng)?shù)谝恢赝嘶饻囟确謩e為Tβ+15 ℃、Tβ+30 ℃、Tβ+60 ℃時(shí)，準(zhǔn)β熱處理工藝和β熱處理工藝下的斷裂韌度水平相當(dāng)，KⅠC值均在110～120 MPa·m1/2之間，損傷容限性能優(yōu)異。

2.4 熱處理工藝對(duì)鍛件疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

圖2為Ti-6Al-4V ELI合金厚截面鍛件經(jīng)不同溫度β熱處理后的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。從圖2可以看出，當(dāng)?shù)谝恢赝嘶饻囟葟腡β+15 ℃升高到Tβ+30 ℃和Tβ+60 ℃時(shí),疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線幾乎重合，無明顯變化。故升高退火溫度對(duì)提高Ti-6Al-4V ELI合金厚截面鍛件的損傷容限性能貢獻(xiàn)不大。

表3Ti-6Al-4VELI合金鍛件經(jīng)不同工藝熱處理后的斷裂韌度

Table 3 Fracture toughness of Ti-6Al-4V ELI alloy forgings

圖2 Ti-6Al-4V ELI合金鍛件經(jīng)β熱處理后的疲勞 裂紋擴(kuò)展速率Fig.2 Fatigue crack propagation rate of Ti-6Al-4V ELI alloy forgings by β heat treatment

圖3為Ti-6Al-4V ELI合金厚截面鍛件經(jīng)不同溫度的β工藝和準(zhǔn)β工藝熱處理后的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。從圖3a可以看出，當(dāng)?shù)谝恢赝嘶饻囟葹門β+15 ℃時(shí)，在 ΔK為11～13 MPa·m1/2范圍內(nèi)β熱處理工藝和準(zhǔn)β熱處理工藝下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線幾乎重合；在ΔK為13～23 MPa·m1/2范圍內(nèi)β熱處理工藝的疲勞裂紋擴(kuò)展速率略低于準(zhǔn)β熱處理工藝；當(dāng)ΔK大于23 MPa·m1/2后2種工藝下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線幾乎重合，即在低速擴(kuò)展區(qū)，β熱處理工藝的損傷容限性能略優(yōu)于準(zhǔn)β熱處理工藝。從圖3b和圖3c可以看出，當(dāng)?shù)谝恢赝嘶饻囟壬叩絋β+30 ℃和Tβ+60 ℃時(shí),β熱處理工藝和準(zhǔn)β熱處理工藝下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線幾乎重合，即損傷容限性能相當(dāng)。

圖4為第一重退火溫度為Tβ+15 ℃時(shí)β熱處理和準(zhǔn)β熱處理后疲勞試樣的宏觀斷口形貌和裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌。從圖4可以看出，β熱處理工藝下疲勞試樣的斷口粗糙度較大，尤其是在低速擴(kuò)展區(qū)。按Sinha等人[9]的研究結(jié)果，在應(yīng)力比較低(R=0.1)的情況下，裂紋表面粗糙度增加了裂紋擴(kuò)展初期的裂紋閉合效應(yīng)，降低了長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展速率。

圖3 Ti-6Al-4V ELI合金經(jīng)β熱處理和準(zhǔn)β熱處理后的 疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.3 Fatigue crack propagation rates of Ti-6Al-4V ELI alloy forgings in β heat treatment and quasi-β heat treatment: (a)1# and 2#；(b)3# and 4#；(c)5# and 6#

從圖4的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑分析可知，在低速擴(kuò)展區(qū)(對(duì)應(yīng)圖3a的 ΔK=11～23 MPa·m1/2區(qū)域)，裂紋多沿原始β晶界或α集束邊界擴(kuò)展，由于β熱處理工藝下片層組織的β晶粒和α集束尺寸大，故裂紋擴(kuò)展的起伏程度大。而片層組織β晶粒相對(duì)較小的準(zhǔn)β熱處理工藝下的裂紋擴(kuò)展路徑也在不停的變換方向，成鋸齒狀擴(kuò)展，同時(shí)也存在較大起伏的區(qū)域，裂紋擴(kuò)展路徑的曲折程度略小于β熱處理工藝。裂紋擴(kuò)展路徑的曲折程度越大，則裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度越長(zhǎng)，也就是說裂紋擴(kuò)展穿越了更多的組織，必然消耗更多的能量，減緩了裂紋擴(kuò)展速度。故在低速擴(kuò)展區(qū)，β熱處理工藝下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率略低于準(zhǔn)β熱處理工藝。

圖4 不同工藝下疲勞試樣的宏觀斷口形貌和低速擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌Fig.4 Micro morphologies in low velocity extension zone and macroscopic fracture morphologies of fatigue specimens in different heat processes：(a,b)1#；(c,d)2#

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于200 mm 厚的Ti-6Al-4V ELI合金鍛件，其拉伸性能對(duì)熱處理溫度和熱處理方法較為敏感。隨著第一重退火溫度從Tβ+15 ℃升高到Tβ+30 ℃、Tβ+60 ℃，塑性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。準(zhǔn)β熱處理工藝的塑性明顯優(yōu)于β熱處理工藝，源于其β晶粒尺寸較小。

(2)Ti-6Al-4V ELI合金厚截面鍛件的損傷容限性能對(duì)β熱處理溫度不敏感。當(dāng)?shù)谝恢赝嘶饻囟葟腡β+15 ℃升高到Tβ+30 ℃和Tβ+60 ℃時(shí)，斷裂韌度水平相當(dāng)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線幾乎重合。

(3)Ti-6Al-4V ELI合金厚鍛件的第一重退火溫度為Tβ+15 ℃時(shí)，在低速擴(kuò)展區(qū)β熱處理工藝的疲勞裂紋擴(kuò)展速率略低于準(zhǔn)β熱處理工藝，源于其β晶粒尺寸和α集束尺寸大，裂紋擴(kuò)展路徑的曲折程度相對(duì)較大。當(dāng)?shù)谝恢赝嘶饻囟壬叩絋β+30 ℃和Tβ+60 ℃時(shí),β熱處理工藝和準(zhǔn)β熱處理工藝下的損傷容限性能相當(dāng)。

(4)為達(dá)到良好的強(qiáng)度-塑性-韌性的綜合性能匹配，Ti-6Al-4V ELI合金超厚鍛件宜采用準(zhǔn)β熱處理工藝或較低熱處理溫度(如Tβ+15 ℃)的β熱處理工藝。