李 維，康 聰，侯智敏，李進(jìn)元

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

Ti31（Ti-Al-Mo-Zr-Ni）合金是西北有色金屬研究院設(shè)計(jì)開發(fā)的一種中強(qiáng)近α型鈦合金，與同等強(qiáng)度的鈦合金相比，具有明顯高的塑韌性、中溫?zé)釓?qiáng)性、高溫持久性以及良好的耐蝕性與可焊性[1，2]。然而Ni元素在鈦合金中屬于快共析元素，在冷卻過(guò)程中會(huì)析出Ti2Ni硬脆相，顯著降低材料的力學(xué)性能，尤其是材料的沖擊性能[3，4]。針對(duì)大規(guī)格Ti31鍛件，由于其心部冷速較低，往往會(huì)在晶界上析出大量連續(xù)的Ti2Ni相，使得材料的沖擊性能明顯下降。本文通過(guò)采用水冷+低溫去應(yīng)力的退火方式，采用不同的固溶溫度、去應(yīng)力退火溫度、去應(yīng)力退火時(shí)間，研究分析了水冷+低溫去應(yīng)力退火對(duì)Ti31合金沖擊性能的影響，并進(jìn)一步對(duì)于φ400mm235mm鍛件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)用材料為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ti31鍛件，該合金經(jīng)VAR三次熔煉，并通過(guò)多火次墩拔成型，其實(shí)測(cè)成分為Ti-2.90Al-1.06Mo-0.54Ni-1.68Zr，相變點(diǎn)為935℃～940℃。選擇對(duì)該批次鍛件進(jìn)行不同制度的熱處理，熱處理參數(shù)詳見表1。隨后對(duì)其分別進(jìn)行室溫沖擊測(cè)試以及SEM分析，其中室溫沖擊按照HB 5144-1996《金屬室溫沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其中每種熱處理制度取三組試樣測(cè)試，采用V型缺口；SEM分析采用JSM-6460型號(hào)鎢燈絲掃描電鏡。

表1 Ti31合金的熱處理方案

890 1 WQ 450 6 AC 890 1 WQ 600 4 AC 910 1 WQ 450 4 AC 910 1 WQ 600 4 AC

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 溫度對(duì)Ti31合金沖擊性能的影響

圖1給出了不同的固溶溫度以及去應(yīng)力退火溫度對(duì)Ti31合金沖擊吸收功的影響。從圖1可以看出，在該種熱處理路線下，固溶溫度對(duì)于合金的沖擊性能幾乎沒有影響，而去應(yīng)力退火對(duì)沖擊吸收功的影響很大。當(dāng)去應(yīng)力退火溫度由450℃升至600℃時(shí)，合金的沖擊吸收功降低了約有20J。這是由于當(dāng)退火溫度超過(guò)550℃后，Ti31合金內(nèi)部的晶界析出物開始明顯增加，尺寸也逐步增加，最終成為連續(xù)狀態(tài)[4]。這種在晶界處形成的Ti2Ni硬脆相會(huì)顯著降低沖擊失效過(guò)程中的裂紋萌生能，并進(jìn)而損害到?jīng)_擊性能。

圖1 固溶和去應(yīng)力退火溫度對(duì)Ti31合金沖擊吸收功的影響

2.2 去應(yīng)力退火時(shí)間對(duì)Ti31合金沖擊性能的影響

圖2給出了不同的去應(yīng)力退火時(shí)間對(duì)Ti31合金沖擊吸收功的影響。從圖2可以看出，去應(yīng)力退火時(shí)間對(duì)于Ti31合金的沖擊性能影響較小。說(shuō)明在450℃長(zhǎng)時(shí)間保溫，Ti2Ni并不會(huì)發(fā)生聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象。這是由于Ti2Ni相的形成屬于共析反應(yīng)，需要元素的擴(kuò)散。而在低溫條件下，元素?cái)U(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力受到抑制，Ti2Ni相難以進(jìn)一步長(zhǎng)大。

圖2 去應(yīng)力退火時(shí)間對(duì)Ti31合金沖擊吸收功的影響

2.3 對(duì)大規(guī)格Ti31鍛件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)規(guī)格為φ400mm235mm的Ti31鍛件采用890℃1h/WQ+450℃4h/AC熱處理，其邊部與心部的沖擊吸收功如表2所示，表2也給出了相同規(guī)格鍛件經(jīng)普通退火后的沖擊吸收功。從表2可以看出，經(jīng)過(guò)水冷+低溫去應(yīng)力退火后的合金沖擊性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通退火態(tài)，并且心部沖擊性能略低于邊部。

表2 Ti31合金的沖擊吸收功

圖3 Ti31合金退火態(tài)組織

圖4 大鍛件Ti31合金退火態(tài)EDS分析

圖3給出了Ti31合金經(jīng)水冷+低溫去應(yīng)力退火之后邊部、心部以及普通退火態(tài)的SEM照片。從圖3可以看出，經(jīng)水冷+低溫去應(yīng)力退火后，邊部組織晶粒要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通退火態(tài)，而心部組織要略微大于普通退火態(tài)。從沖擊吸收功的對(duì)比來(lái)看，說(shuō)明此時(shí)晶粒大小并不是影響沖擊性能的決定因素。

圖4給出了退火態(tài)組織的EDS分析，其晶界Ni含量分別為：2.56wt%、5.05wt、8.42wt%。從EDS分析結(jié)果來(lái)看，大鍛件普通退火態(tài)組織晶界處Ni含量最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于宏觀成分0.54wt%，對(duì)應(yīng)著最低的沖擊吸收功，說(shuō)明晶界處高的富Ni區(qū)是導(dǎo)致沖擊吸收功降低的主要因素。

3 結(jié)論

（1）水冷+低溫處理時(shí)，固溶溫度對(duì)Ti31合金沖擊性能影響不明顯；而隨著去應(yīng)力退火溫度的升高，合金的沖擊吸收功顯著降低。

（2）水冷+低溫去應(yīng)力退火的熱處理方式有利于改善大規(guī)格Ti31合金的沖擊性能。