Ti-55531合金退火處理工藝研究

李志燕,吳國清,黃 正,夏曉潔

(1.北京航空材料研究院,北京 100095)( 2.北京航空航天大學,北京 100191)

Ti-55531合金退火處理工藝研究

李志燕1,吳國清2,黃 正2,夏曉潔2

(1.北京航空材料研究院,北京 100095)( 2.北京航空航天大學,北京 100191)

研究了兩相區、單相區退火和雙重退火對Ti-55531合金組織和性能的影響。兩相區退火后合金的組織為由條狀α相、等軸狀α相和β轉變組織組成的雙態組織，隨著第一階段退火溫度的升高，等軸狀α相比例呈降低的趨勢；單相區退火后合金為帶有粗大β晶粒的魏氏組織，隨著退火溫度的升高，β晶粒長大；雙重退火后合金組織中含有較大比例的針狀α相。兩相區退火可獲得較高的延伸率、斷面收縮率，但抗拉強度較低；單相區退火可獲得較好的強塑性匹配；單相區雙重退火后合金具有最高的抗拉強度，而合金延伸率、斷面收縮率最低。

Ti-55531合金；退火；顯微組織；力學性能

0 引 言

Ti-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr)合金作為新型高強近β鈦合金，具有強度優異和斷裂韌性高等優點，擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，特別適合制造必須承受巨大應力的零部件，如大型結構件、起落架、機翼、發動機掛架間連接裝置等，在航空航天工業中日益受到青睞[1-4]。鈦合金組織類型和形態上的差異對其力學性能有著顯著的影響[5]。已有文獻對Ti-55531合金β退火處理后的組織和性能進行了研究，但未見有對兩相區退火和雙重退火進行系統研究的報道[6-7]。由于Ti-55531合金合金化程度高，組織對熱處理工藝較為敏感，因此系統地開展了Ti-55531合金退火處理工藝研究，揭示單相區退火、兩相區退火以及雙重退火中退火工藝參量變化對Ti-55531合金顯微組織和力學性能的影響規律。

1 實 驗

實驗材料為Ti-55531合金棒材，規格為φ125 mm×550 mm，化學成分見表1。棒材原始組織見圖1，為等軸組織，等軸α相的比例為43%。金相法測得合金相變點為(845±5)℃。

表1 Ti-55531合金化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of Ti-55531 alloy

圖1 Ti-55531合金棒材原始組織Fig.1 Original microstructure of Ti-55531 alloy bar

兩階段普通退火即在較高溫度進行第一階段退火后爐冷至較低溫度，再在較低溫度進行第二階段退火后空冷。圖2為兩階段普通退火工藝及雙重退火工藝示意圖。采用SX3-10-13型熱處理爐,按表2設計的12種熱處理方案，在820～900 ℃溫度范圍內對Ti-55531合金棒材進行普通退火以及雙重退火處理。

圖2 普通退火及雙重退火處理示意圖Fig.2 The diagrams of common annealing and dual-annealing

表2 Ti-55531合金退火處理實驗方案

Table 2 Experiment schemes of annealing treatment of Ti-55531 alloy

沿棒材長度方向切取拉伸試樣，試樣直徑5 mm，標距長25 mm。采用CMT系列微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸機夾頭移動速率為0.5 mm/min。切取金相試樣，用H2O+HNO3+HF(體積比10∶3∶1)腐蝕劑腐蝕，采用OLYMPUS BX51M光學顯微鏡和S4800場發射掃描電鏡觀察顯微組織。

2 結果與討論

2.1 兩相區退火處理對合金組織的影響

圖3為Ti-55531合金經兩相區(820、830、835 ℃)退火處理后爐冷至580 ℃保溫8 h空冷至室溫的金相照片和SEM照片?？梢钥闯?，退火處理后Ti-55531合金組織為雙態組織，組織中分布著條狀α相、等軸狀α相和β轉變組織，晶界有不連續α相。隨著第一級退火溫度的升高，組織中初生α相含量明顯減少，晶界中不連續的α相增多。

圖3 兩相區退火處理后Ti-55531合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of Ti-55531 alloy after annealing treatment in α+β phase

2.2 單相區退火處理對合金組織的影響

圖4給出了Ti-55531合金經單相區(840、900 ℃)退火處理后的金相照片和SEM照片。從圖中可以看出，合金在840 ℃退火處理后，生成了含粗大β晶粒的魏氏組織(圖4a)，在原β晶界上析出有不連續的α相,晶內分布著短桿狀和針狀α相(圖4b)。退火溫度由840 ℃升高至900 ℃，β晶粒長大，β晶粒尺寸不均勻程度加大(圖4c)，晶內針狀α相增多(圖4d)。通過對金相圖進行組織定量分析發現，在單相區880 ℃以下普通退火，第一級退火溫度的升高有利于晶界α相的連續析出，可有效提高合金組織中α/β相界面的面積；而在單相區880 ℃以上進行普通退火，第一級退火溫度的升高主要導致合金晶粒尺寸的增大，對其他組織特征參數影響較小。

圖4 單相區退火處理后Ti-55531合金的顯微組織Fig.4 Microstructures of Ti-55531 alloy after annealing treatment in β phase

圖5為Ti-55531合金經880 ℃單相區退火處理后爐冷至不同溫度(580、540、620 ℃)，保溫8 h空冷至室溫下的SEM照片?？梢钥闯?，合金組織仍為魏氏組織，粗大β晶粒保留至室溫，原β晶界上有α相析出，并沿一定方向向晶內生長，晶內有細小的α相析出。在單相區退火處理時，隨著第二級退火溫度的升高，β晶粒尺寸略有增加，針狀α相比例降低。第二級退火溫度的升高有利于晶界α相的析出。

圖5 Ti-55531合金經880 ℃單相區退火處理及不同溫度的第二階段退火處理后的SEM照片Fig.5 SEM microstructures of Ti-55531 alloy at different annealing temperatures in the second stage

2.3 單相區雙重退火處理對合金組織的影響

圖6為Ti-55531合金采用方案12退火處理后的金相照片和SEM照片?？梢钥闯?，采用單相區雙重退火，合金中有不連續晶界α相析出，在β基體上均勻分布著極細的針狀α相，針狀α相具有較大的長寬比。相比普通退火，單相區雙重退火處理后合金組織中含有較大比例的針狀α相。

圖6 雙重退火處理后Ti-55531合金的顯微組織Fig.6 Microstructures of Ti-55531 alloy after dual-annealing

2.4 不同退火制度對力學性能的影響

對不同退火工藝下退火處理后的試樣進行室溫拉伸試驗，測試結果見表3?？梢钥闯?，在兩相區退火處理時，隨著第一級退火溫度的升高，Ti-55531合金抗拉強度升高，斷面收縮率下降，延伸率略有下降，但變化不明顯。

表3 不同退火工藝下Ti-55531合金的力學性能

Table 3 Mechanical properties of Ti-55531 titanium alloy after different annealing treatments

在單相區退火處理后，Ti-55531合金抗拉強度均在1 130 MPa以上，延伸率高于13%；隨著第一級退火溫度的升高，抗拉強度變化不大，斷面收縮率下降，延伸率下降；隨著第二級退火溫度的升高，抗拉強度下降，降幅在35 MPa以內，斷面收縮率和延伸率略有提高。

與其他兩種退火工藝相比，雙重退火后合金具有最高的抗拉強度，可達1 348 MPa，而合金的延伸率最低。兩相區退火可獲得較高的延伸率、斷面收縮率，但抗拉強度較低。單相區退火可獲得較好的強塑性匹配。綜合來看，普通退火可獲得較好的綜合力學性能，兩相區退火可得到更高的延伸率、斷面收縮率，而單相區退火可獲得相對更高的抗拉強度。

3 結 論

(1)兩相區退火后合金組織為雙態組織，分布著條狀α相、等軸狀α相和β轉變組織，隨著退火溫度的升高，初生α相含量下降，晶界α相數量增多；單相區退火后合金為有粗大β晶粒的魏氏組織，在原β晶界處析出不連續的α相，并沿一定方向向晶內生長，在晶粒內部有針狀α相析出，隨著第一級和第二級退火溫度的升高，β晶粒尺寸持續長大；單相區雙重退火處理后合金組織中含有較大比例的針狀α相。

(2)兩相區退火可獲得較高的延伸率、斷面收縮率，但抗拉強度較低。隨著退火溫度的升高，合金抗拉強度升高，延伸率、斷面收縮率略有下降，但變化不明顯。單相區退火可獲得較好的強塑性匹配，隨著第一級退火溫度的升高，合金抗拉強度變化不大，合金延伸率、斷面收縮率均呈降低的趨勢；隨著第二級退火溫度的升高，合金抗拉強度下降，斷面收縮率、延伸率略有提高。單相區雙重退火后合金具有最高的抗拉強度，而合金延伸率、斷面收縮率最低。

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2013年至2014年6月日本鈦產品產銷數據統計

王運鋒編譯自《チタン》

The Research on Annealing Treatment of Ti-55531 Titanium Alloy

Li Zhiyan1,Wu Guoqing2,Huang Zheng2,Xia Xiaojie2

(1.Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)(2.Beihang University,Beijing 100191,China)

Effects of isothermal annealing and dual-annealing on microstructure and mechanical properties were investigated.Annealing treatment in (α+β) phase field leads to form a duplex microstructure consisting of stripα,equiaxedαand transformedβphases.With the increase of the temperature of the first stage annealing,the volume fraction of primaryαphase decreases.Annealing treatment inβphase field leads to form widmanstatten microstructure.With the increase of the annealing temperature,theβgrain size increases.Dual-annealing treatment inβphase field leads to form a microstructure containing a lot of acicularαphase.Annealing treatment in (α+β) phase field leads to higher elongation and section shrinkage,but the tensile strength is lower.Annealing treatment inβphase field can gain good matching of tensile strength and plasticity.Dual-annealing treatment inβphase,the alloy has the highest tensile strength and plasticity is poor.

Ti-55531 alloy; annealing; microstructure; mechanical property

2014-12-23

航空科學基金資助項目(2012ZEL056)

李志燕(1982—)，女，工程師。