热处理对Ti-10V-2Fe-3Al钛合金力学性能的影响

热处理对Ti-10V-2Fe-3Al钛合金力学性能的影响

刘成文

新疆湘润新材料科技有限公司

摘要：Ti-10V-2Fe-3Al合金是一种近β型钛合金，由于具有高强、高韧、高比强度、深淬透性和优良的热加工性在航空航天领域具有广泛的应用前景。与目前航空航天领域用量最大的Ti-6Al-4V合金相比，Ti-10V-2Fe-3Al合金的β转变温度一般为790℃～815℃，比Ti-6Al-4V合金的β转变温度大约低100℃。在β转变温度附近变形的流动应力与Ti-6Al-4V合金935℃变形的流动应力相当，可用于生产各类棒材、板材、锻件等产品，尤其适用于制造316℃以下工作的发动机零件。与锻造等加工工艺相比，热处理能够在不改变工件的尺寸结构和化学成分的前提下，有效改善工件内部的微观组织，最终获得优良的使用性能和工艺性能，达到提升产品质量、延长使用寿命的目的。

关键词：热处理；Ti-10V-2Fe-3Al钛合金；力学性能；影响

引言

钛及钛合金具有高比强度、高塑性、耐高温、耐腐蚀、可焊接等优良的综合性能，在航空工业领域得到广泛的应用。损伤容限设计是当前先进飞机结构设计规范的核心方法之一。钛合金经β热处理加工后，因具有高断裂韧性、高疲劳裂纹扩展门槛值和低裂纹扩展速率等损伤容限性能，被大量用于制造新一代先进战机的关键结构承力部件，由此显著提高战机的安全性和飞行性能。在钛合金力学性能研究方面，人们结合万能材料试验机、分离式霍普金森杆等装置开展了该类材料的静动态力学性能实验，并结合有限元分析工具进行了材料性能的数值模拟，研究了固溶、时效等热处理工艺对材料静、动态力学性能的影响。证实了固溶温度在相变点附近时会改变钛合金动态压缩性能且时效处理会提高钛合金的动态屈服强度。在Ti-10V-2Fe-3Al应变率范围内，该材料具有明显的应变率强化效应和一定的应变硬化效应。

1.时效温度对钛合金拉伸性能的影响

钛合金通过固溶处理获得过饱和固溶体，然后在时效过程中，第二相通过形核和核长大的方式在过饱和固溶体中析出，起到时效强化、提高合金强度的作用。固溶+时效后的Ti-10V-2Fe-3Al钛合金的显微组织主要由β基体、初生α相以及次生α相组成。其中初生α相的数量对针状次生α相的析出有影响，在相同的时效条件下，随着固溶温度的提高，更多的初生α相发生了溶解，初生α相体积分数逐渐减少，并在时效时以针状次生α相的形态析出，因此锻件的强度提高，塑性下降。次生α相是在时效过程中析出的。在相同的固溶条件下，随着时效温度增加，次生α相尺寸增大、数量减少，材料抗拉强度和屈服强度降低，延伸率和断面收缩率都明显增加。同比，在相同的时效制度下，固溶温度在760℃到770℃之间时，固溶温度提高10℃，抗拉强度和屈服强度分别提高74MPa和65MPa，伸长率和断面收缩率相应分别下降4.2%和12.9%。在相同的固溶制度下，时效温度在520℃到525℃之间时，时效温度提高5℃，抗拉强度降低了77MPa，屈服强度降低了64MPa，而伸长率和断面收缩率分别提高了3.7%和15.3%。因此说明在该温度范围区间，时效温度对合金性能的影响大于固溶温度。

2.力学性能和微观组织的影响

1)TI-10V-2FE-3AL钛合金在高应变率载荷作用下表现出了应变率强化效应，其峰值应力随应变率增加而显著增大。2)各加载应变率下，时效处理后TI-10V-2FE-3AL钛合金抗变形能力、流动应力、屈服强度及抗压强度升高；固溶时效处理后材料的抗变形能力、流动应力、屈服强度及抗压强度显著降低；时效处理和未做热处理试样其动态应力应变曲线均具有明显的弹性、屈服和塑性阶段，固溶时效处理后则无明显弹性和屈服阶段。3)随应变率的增加，时效处理和未做热处理试样流动应力无显著变化；固溶时效处理后流动应力随应变率增加呈上升趋势。4)时效处理后，材料等轴初生α相显著增大且β相含量较低；固溶时效处理后，材料α相晶界增大且含有针状α的β转变基体，TI-10V-2FE-3AL钛合金的力学性能与β相和亚稳β相的马氏体转变有关。

3.热处理对SLM成形TI-10V-2FE-3AL钛合金显微组织的影响

700℃热处理后，成形态的α′相通过形核和长大过程分解，逐渐转变为板条α相，而在800℃的热处理后，形成α+β相的稳定组织。700℃热处理后的显微组织，该温度处于α单相区，在该较低温度热处理过程中，成形过程中形成的大量细小针状α′马氏体可能成为α板条的形核质点，并通过扩散相变直接转变成α相，因此热处理后板条尺寸细小。当热处理温度进入α/β两相区后，α′相分解过程中，部分由α′转化的α相通过元素扩散转化成β相，随着热处理温度的升高，β相体积分数逐渐增加，具有一定取向的β相会发生合并长大现象，在降温过程中，β相在两相界面形核转化成α相，促进α相长大。随着热处理温度的升高，板条尺寸显著粗化。热处理后TI-10V-2FE-3AL钛合金纵截面显微组织的变化规律与横截面类似。700和800℃热处理后，柱状晶之间的晶界仍能清晰可见，而900和950℃热处理之后的柱状晶形貌变得模糊。经过高温热处理后，低温去应力退火的合金内具有一定方向性的针状α′相集束转变成了具有相同取向的α板条集束，这为合金断裂韧性的提升奠定了基础。

4.冲击韧性

在炉冷条件下，TI-10V-2FE-3AL钛合金的冲击韧性值最高，均值达到了69.3J/cm2；在空冷条件下，冲击韧性略微降低，均值为65.8J/cm2；在强风冷条件下，冲击韧性出现较大幅度降低，均值为46.2J/cm2；在水冷条件下，冲击韧性急剧降低，均值仅为10.6J/cm2。可以看出，TI-10V-2FE-3AL钛合金经β热处理后的冲击韧性对冷却速率敏感。随着冷却速率增加，冲击韧性将逐渐降低，但降低幅度却存在较大差异。

5.裂纹扩展速率

使用高精度箱式热处理炉(±2℃)对试样坯进行热处理，选取TI-10V-2FE-3AL再结晶温度范围进行再结晶退火热处理(见表2)，热处理时间均为60min，冷却方式为空气冷却。板材A经780℃、900℃热处理后及板材B经780℃热处理后横向裂纹扩展速率分别代表低间隙板材冲击韧性值最小、最大及高氧板材冲击韧性值最小状态下板材横向裂纹扩展速率情况。板材A经900℃热处理后裂纹扩展速率最低；经780℃热处理后次之；板材B经780℃热处理后裂纹扩展速率最高；在裂纹扩展阶段3种板材裂纹扩展速率的差异更为显著。此外，板材B中较高的氧含量(0.18%)会加剧晶粒尺寸对裂纹扩展速率的影响程度。上述规律与冲击韧性结果对材料的韧性评价结果相一致，冲击韧性值越高，裂纹扩展速率越低，材料变形和断裂时吸收的能量越高，材料抵抗变形和断裂的能力越强。

结束语

（1）从炉冷到水冷，随着冷却速率增加，α集束尺寸、集束中的片层α相、晶界α相和残余β相尺寸均呈大幅减小趋势；经炉冷和空冷后，β转变基本由不同位相的α集束组成，但经强风冷和水冷后，β转变基体中的α相编织为网篮结构。（2）从炉冷到水冷，随着冷却速率增加，冲击韧性逐渐降低；在炉冷条件下，冲击韧性均值为69.3J/cm2；在空冷条件下，冲击韧性均值为65.8J/cm2；在强风冷条件下，冲击韧性均值为46.2J/cm2；在水冷条件下，冲击韧性均值仅为10.6J/cm2。（3）断口分析表明，从炉冷到水冷，随着冷却速率增加，断口宏观粗糙度呈减小趋势，断口微观塑性变形程度逐渐降低；在炉冷、空冷和强风冷条件下，断口中存有大量撕裂韧窝和撕裂棱，为穿晶韧性断裂的失效模式；在水冷条件下，断口中观察到大量的解理面及少量的撕裂韧窝和二次裂纹，为沿晶解理断裂失效模式。

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