固溶冷却方式对短时用高温钛合金板材组织和性能的影响

王瑞琴， 葛 鹏， 廖 强， 侯 鹏， 刘 宇

(西部金属材料股份有限公司， 陕西 西安 710201)

高温钛合金的研制一直是钛合金领域最为活跃、最为重要的一个分支，受到世界各国钛合金研究者的高度重视。目前，国内外的主要高温钛合金最高使用温度为600 ℃，但是随着各国航空航天领域的快速发展，新一代的超声速飞行器、空天飞机的发动机及机体的部分高温部件使用温度要求在短时间内达到650～700 ℃[1-2]。现有Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系传统近α型高温钛合金已不能满足新型航天器的需求，且该类钛合金的工艺塑性低，加工困难，而对于两相型高温钛合金，则具有优异的室温强度和较高的塑性，尽管在长时间热暴露过程中会发生相的不稳定分解，导致组织和性能的不稳定性，但是在高温短时应用的背景下，这些因素不再重要。为了满足国防领域和航天领域对高温短时高强钛合金的迫切需求，研制了一种新型短时用高温钛合金，该合金是在Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的基础上去除Si元素而添加W元素，属于马氏体型两相高温钛合金，通过热处理改善合金组织，以获得最佳的综合力学性能。本文通过研究固溶处理后的不同冷却方式对合金的组织和性能的影响，为该合金的实际生产工艺提供参考依据。

1 试验材料及方法

本试验用材料为φ340 mm铸锭，铸锭经过3次真空自耗电弧炉熔炼，其化学成分如表1所示。经β单相区开坯、α+β两相区的锻造、轧制，得到厚度为12 mm的板材。采用金相法测得材料(α+β)/β的相变点Tβ为(980±5) ℃。用线切割切取力学性能试样，拉伸试样的有效尺寸为φ12 mm×65 mm。本试验采用的热处理工艺如表2所示。室温和高温力学性能测试均在MST电子拉伸试验机上进行，轴向拉伸速率控制在1 mm/min。每种状态的试样数为2个，试验温度分别为室温、600及700 ℃。金相试样用HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7(体积比)的腐蚀剂腐蚀，然后在Olympus GX51倒置式光学显微镜上观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 冷却方式对合金组织的影响

图1为不同冷却方式下合金的显微组织，其中图1(a) 为合金轧制态组织，该组织为等轴α相或拉长的α相和片状α+β相组成。图1(b～d)分别为合金在炉冷、空冷和水冷3种方式下的显微组织。从图1 可以看出，经过950 ℃×1 h固溶处理后，拉长的α相均已球化，但不同的冷却方式下，初生α相的含量、尺寸及次生α相的形貌不同。固溶处理后炉冷方式下，初生α相的含量最多，尺寸也最大，含量约为58%，尺寸约为8 μm，随着冷却速度的增大，初生α相的含量和尺寸均逐渐减小，空冷时α相平均尺寸降低至约6.7 μm，水冷约4.7 μm；空冷时α相体积分数减少至约33%，水冷约26%。在随后的时效过程中，3种冷却方式下析出的次生α相尺寸都较细小，但炉冷析出的次生α相数量较少，空冷和水冷析出的次生α相尺寸和数量相差不大。

图1 短时用高温钛合金板材在不同热处理制度下的横向显微组织(a)轧态; (b)炉冷; (c)空冷; (d)水冷Fig.1 Transverse microstructure of the short-term servicing high-temperature titanium alloy plate under different heat treatment processes(a) as-rolled; (b) furnace cooled; (c) air cooled; (d) water cooled

合金经过相同的950 ℃固溶后，冷却方式的不同直接影响时效前组织中残留的β相含量。炉冷的冷却速率低，β相有足够的能量和时间转化为次生α相，同时炉冷有足够的时间保障合金元素在基体中的扩散，从β相中析出的次生α相来不及长大就被α相吞并并长大，因此炉冷出现较大的初生α相和较小的次生α相的混合组织。合金在固溶后的空冷时，虽冷却速率较炉冷高，但也有一定的时间和能量来保证β转变组织中α相的生长，其合金元素在基体中也有扩散，但扩散较慢，α相来不及吞并析出的次生α相，因此空冷时的针状次生α相的尺寸反而较炉冷的长。另外，该合金的Mo含量较高，空冷和水冷的效果相当，时效开始前合金中还残留有相当量的亚稳β相，在随后的时效过程中亚稳β相进一步分解生成较为稳定的α+β相[3-5]。水冷时，残留的亚稳β相来不及发生平衡相变形成α相，主要通过原子迁移得到亚稳定过渡相即α″和α′，α″和α′马氏体相均为无扩散相形成的很不稳定的亚稳相[5]，在随后的时效过程中，α″和α′相发生分解，生成稳定的α+β相。因水冷的过冷度较大，合金元素的扩散来不及进行，次生α相的形核率很高，形成大量的次生α核，在时效过程中 α相 也没有明显长大，仍为细针状。

2.2 冷却方式对合金性能的影响

图2为固溶后不同冷却方式下合金的室温、600 ℃及700 ℃拉伸性能，从图2可以看出，室温强度随冷却速率的增加而增加，对应的室温塑性则降低；600、700 ℃高温强度也随着冷却速率的增加而增加，伸长率和断面收缩率随之有所降低。这是因为随着冷却速率的增加，残余β相增多，从而限制了初生α相的长大；冷却速率越高，析出的次生α相也越细小，且次生α相的析出量增多，因此晶界面积增加，在室温时起到晶界强化的作用，高温拉伸时晶界对高温强度的强化作用减弱[6-8]，随冷却速率的增加，过冷度变大，次生α相 形核率升高，尺寸较小的次生α相析出数量增多，并且分布较为错乱，高温拉伸变形时次生α相相互齿合，对合金的高温强度起到一定的提高作用。对比3种固溶冷却方式下合金的力学性能，固溶处理后采用空冷方式即可获得较好的综合性能，室温抗拉强度>1200 MPa，伸长率>10%，600 ℃高温抗拉强度>750 MPa，伸长率>25%，700 ℃高温抗拉强度>450 MPa，伸长率>40%，且该冷却方式也适宜于工业生产。

图2 不同热处理制度下短时用高温钛合金板材不同温度的横向力学性能(a)室温; (b) 600 ℃; (c) 700 ℃Fig.2 Transverse mechanical properties at different temperatures of the short-term servicing high-temperature titanium alloy plate under different heat treatment processes(a) room temperature; (b) 600 ℃; (c) 700 ℃

3 结论

1) 新型短时用高温钛合金热轧板材经不同冷却方式的固溶处理及时效后，合金的组织均为α+β相，随着冷却速率的增加，初生α相的含量和尺寸逐渐减小，3种冷却方式下析出的次生α尺寸都较细小，但炉冷析出的次生α相数量较少，空冷和水冷析出的次生α相尺寸和数量相差不大。

2) 固溶冷却方式对合金性能有较明显的影响，随着冷却速率的提高，合金的室温、600 ℃及700 ℃高温强度提高而塑性降低。合金固溶处理后采用空冷方式可获得较好的综合力学性能。