熱處理工藝對Ti-6Al-4V鈦合金熱擠壓型材組織及力學(xué)性能的影響

張君峰，徐 哲，馮紅超

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

在使用和制作過程中，鈦合金型材屬于一種特殊的近終形半成品，具備較高的結(jié)構(gòu)效益，在航空、航天等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在實際研究過程中，由于鈦合金型材的種類繁多，可對相關(guān)飛行器的研制周期進(jìn)行縮短。同時，鈦合金與很多復(fù)合材料的電極相接近，可避免在與符合材料接觸時出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。隨著復(fù)合材料應(yīng)用范圍的提升，鈦合金的使用頻率也在不斷增加。

1 實驗材料及方法

在Ti-6Al-4V鈦合金型材制備過程中，首先需要做的是利用β相鍛造區(qū)對其進(jìn)行防氧化玻璃涂層的噴涂工作，并在相變點進(jìn)行感應(yīng)加熱，當(dāng)溫度到達(dá)150℃～200℃范圍內(nèi)，進(jìn)行一小時的保溫工作，并用鋪設(shè)好的玻璃粉滾涂平臺進(jìn)行滾涂，經(jīng)過一周之后，在擠壓筒中放入相關(guān)的擠壓型材。在擠壓工作開展過程中，需要在擠壓錠坯和模具之間放入玻璃墊，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度之后，玻璃墊會隨之融化，并隨著金屬外側(cè)的金屬流進(jìn)入模孔之中，這種類似液體的東西可對整個模具起到潤滑作用。在上述工藝過程之中，可利用兩種擠壓比對不同規(guī)格截面的Ti-6Al-4V鈦合金型進(jìn)行制備[1]。

在上述兩種規(guī)格選材過程中，可利用表1中所提到的工藝方式開展熱處理工作，之后對處理后的擠壓型材進(jìn)行力學(xué)分析和測試。

表1 實驗型材的熱處理工藝

根據(jù)相關(guān)觀察數(shù)據(jù)統(tǒng)計，金相試樣所應(yīng)用的腐蝕液類型為5%HF+10%HNO3+85%H2O。在型材力學(xué)測試過程中，主要用到的工具是MTS試驗機(jī)，并與AMS4935J標(biāo)準(zhǔn)相參照。一般來說，以往實驗中的型材拉伸應(yīng)變率應(yīng)控制在0.005mm/nn/min左右。

2 實驗結(jié)果分析

在經(jīng)過不同工藝的熱處理之后，擠壓型材的顯微組織便能清晰得到，由此可見，在加熱溫度的確定上，由于擠壓錠坯要遠(yuǎn)大于Ti-6Al-4V鈦合金的相變溫度。因此，可以確定鈦合金的顯微組織屬于一種傳統(tǒng)的魏式組織。在鈦合金顯微組織的深入對比之下可以看出，通過兩種擠壓比λ=25和λ=85的不同擠壓作用所獲得的型材，晶粒尺寸均處于100到200um范圍內(nèi)，而且二者數(shù)據(jù)相差并不多。根據(jù)這一結(jié)果可得出如下結(jié)論：當(dāng)擠壓比λ達(dá)到一定數(shù)值時，擠壓比的提升很難對晶粒尺寸進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。在型材顯微組織對比過程中，雖然熱處理方式存在不同，但處理前后并未出現(xiàn)太大改變。此項結(jié)果說明，當(dāng)加熱溫度在750℃以下時，如果加熱時間未超過3h，熱處理的溫度、次數(shù)、保溫時間對鈦合金顯微組織并不會產(chǎn)生太大影響?？偟膩碚f，在不同的擠壓比作用下，兩種型材相似的強(qiáng)度和塑性。

但由于本文研究中，型材的晶粒尺寸未出現(xiàn)變化，導(dǎo)致熱處理前后型材的抗拉強(qiáng)度等在數(shù)值上同樣未出現(xiàn)較大范圍的變化。但在工藝方式上，雙重退火工藝可以對保溫時間進(jìn)行有效延長，尤其是在750℃×1h中，保溫效果的延長性還會更加明顯，也正是由于這一特點的存在，促使型材的剩余應(yīng)力得到充分釋放，并對型材的屈服強(qiáng)度進(jìn)行了明顯改善。

3 力學(xué)性能的影響分析

（1）抗拉強(qiáng)度分析。根據(jù)Ti-6Al-4V鈦合金抗拉強(qiáng)度的分析結(jié)果，可通過添加相關(guān)金屬元素來提升其抗拉強(qiáng)度。例如，在Mn元素添加過程中，Ti-6Al-4V鈦合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率提升效果最為顯著。而當(dāng)Mn元素含量超過1.5%時，鈦合金型材的抗拉強(qiáng)度也會隨之下降。在含量到達(dá)2.5%時，鈦合金的整體抗拉強(qiáng)度將會達(dá)到332.013MPa，但伸長率僅在3.8%左右?？偟膩碚f，Mn屬于β穩(wěn)定元素中的一種，可降低相關(guān)型材的轉(zhuǎn)變溫度。因此，在擠壓之后的冷卻環(huán)節(jié)之中，只會有少量的β被留存下來，其余大部分將會以雙態(tài)組織形式存在，實現(xiàn)鈦合金力學(xué)性能的有效提升[2]。

（2）拉伸斷口分析。根據(jù)實驗結(jié)果觀察可知，當(dāng)Mn含量處于2%以下時，拉伸斷口的形狀以混合斷面為主，如圖2所示，這種斷口是在準(zhǔn)理性脆性斷裂過程中所留下的。一般來說，β相會處于不完全韌窩狀態(tài)，很容易在部分相中出現(xiàn)解理斷裂。當(dāng)Mn含量在1.5%時，鈦合金中的韌窩最多，此時鈦合金的伸長率也最大。隨著Mn元素含量的越來越大，韌窩數(shù)量也會相應(yīng)降低，此時合金的解理面會得到相應(yīng)提升。當(dāng)Mn的含量超過2.5%之后，在鈦合金之中幾乎無法找到韌窩，此時的斷裂屬于最明顯的脆性斷裂。

圖1 拉伸斷口的形狀

4 總結(jié)

綜上所述，Ti-6Al-4V鈦合金具備良好的熱處理工藝適應(yīng)性。當(dāng)加熱溫度在750℃以下時，保溫時間不超過3小時，熱處理溫度、次數(shù)以及保溫時間等因素并不會對鈦合金的組織材料和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在雙重?zé)崽幚砉に嚨淖饔弥?，鈦合金型材的屈服?qiáng)度將會得到明顯提升，這對于鈦合金的穩(wěn)定性研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]蔡建明,弭光寶,高帆,黃浩,曹京霞,黃旭,曹春曉.航空發(fā)動機(jī)用先進(jìn)高溫鈦合金材料技術(shù)研究與發(fā)展[J].材料工程,2016,44(08):1-10.

[2]楊建軍,李寶霞,代春,張平平.熱處理對擠壓成形TC18鈦合金管材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2015,32(04):22-24.