李 笑,李 劍 

(寶雞鈦業股份有限公司,寶雞 721014)

摘 要:通過在熱處理參數選擇過程中引入正交試驗,確定了固溶溫度、冷卻方式、時效溫度和 時效時間4個影響因素,并采用 L16(4 4)正交表4因素、4水平的16組熱處理工藝進行試驗對工藝 進行優化。結果表明:在該試驗條件下,各因素對板材橫、縱向室溫強度影響從大到小的順序為冷 卻方式、時效溫度、時效時間、固溶溫度,對室溫塑性基本沒有影響;固溶后的冷卻方式對板材室溫 拉伸性能的影響最大,隨著冷卻速率的增大,板材的橫、縱向抗拉強度和屈服強度都大幅度提高,斷 后伸長率和斷面收縮率的波動較小;時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次之,隨著時效溫度的升 高,板材橫、縱向抗拉強度均呈下降趨勢,斷后伸長率基本保持不變,而屈服強度和斷面收縮率呈先略 微上升后基本保持不變的趨勢,并在時效溫度為550 ℃左右達到最大值。在該試驗條件下,Ti-6Al- 4V合金熱軋厚板最優的固溶時效熱處理工藝為900~960℃/1.5h,水冷+550℃/4~6h,空冷。 

關鍵詞:Ti-6Al-4V 合金;固溶時效;正交試驗;熱處理;力學性能 中圖分類號:TG146 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)03-0014-05

Ti-6Al-4V 合金是一種典型的α+β型兩相鈦 合金,具有優異的綜合性能,廣泛應用于航空、航艦船、兵器、化工、醫療等領域[1-2]。在航空、航天工 業中,Ti-6Al-4V 合金板材是成熟應用于飛機和發 動機的主要結構材料之一,可以減輕質量、優化結 構、降低飛行成本,因此已逐漸替代鋼、鎳基合金成 為某些大型結構件的材料。Ti-6Al-4V 合金厚板通 常在普通退火狀態下使用,隨著材料加工技術的發 展和 為 滿 足 結 構 件 成 型 使 用 的 要 求,美 國 SAE AMS4904C:2015Titanium AlloySheet,Strip, and Plate 6Al-4V Solution Heat Treated and Aged 中規定了 Ti-6Al-4V 合金厚板須固溶時效熱 處理后 交 付,并 對 板 材 力 學 性 能 提 出 了 更 高 的 要求[3]。 通過對熱處理參數選擇過程中引入正交試驗, 從多因素、多水平入手,挑出部分有代表性的影響因 素進行試驗,根據試驗因素、因素水平及是否有交互 等需求查找相應的正交點,挑選有代表性的影響因 素進行試驗即可實現以最少的試驗次數達到全面試 驗的效果[4]。為找出 Ti-6Al-4V 合金厚板最佳固溶 時效參數、降低檢驗成本,筆者確定了固溶溫度、冷 卻方 式、時 效 溫 度、時 效 時 間 4 個 因 素,采 用 L16(4 4)正交表4因素、4水平的16組熱處理工藝 進行試驗,以力學性能作為考核指標得到最佳的熱 處理參數,為 Ti-6Al-4V 合金厚板整體熱處理工藝 的確定提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為經3次真空自耗電弧爐熔煉制備的 Ti-6Al-4V 合金鑄錠,規格為?720mm,鑄錠經β相 鍛造 開 坯 和 α+β 兩 相 區 鍛 造,得 到 厚 度 δ 為 250mm 的板 坯,然 后 在 兩 相 區 軋 制 成 厚 度δ 為 35mm 的 板 材,其 化 學 成 分 中 鋁 元 素 的 含 量 為 6.46%~6.50% (質 量 分 數,下 同),釩 元 素 含 量 為 4.19%~4.22%,鐵元素含量為0.17%~0.19%,氧 元 素 含 量 為 0.16% ~0.18%,氫 元 素 含 量 為 0.003%,其余為鈦元素,相變點為1000~1010℃。 板材的顯微組織由等軸和拉長的α相及部分β相轉 變組織組成,無完整的原始β相晶界,其顯微組織形 貌如圖1所示。

1.2 試驗方法 

采用 L16(4 4)正交試驗研究固溶溫度、冷卻方 式、時效溫度、時效時間等4個因素對 Ti-6Al-4V 合 金熱軋厚板強度和塑性的影響。試驗因素及水平如表1所示,其中因素水平用1,2,3,4表示,因素用 A,B,C,D 表示;正交試驗方案如表 2 所示,其 中 AC為空冷,WC為水冷。

1.3 力學性能測試

在δ35 mm 厚 板 上 截 取 塊 狀 試 樣,按 照 SAE AMS4904C:2015的技術要求,將熱處理后的試樣 加工成滿足 ASTM E8/E8M-2015StandardTest MethodsforTensionTestingofMetallicMaterials 要求的規格為?12.5mm 的標準試樣,在電子萬能 拉伸試驗機上進行室溫拉伸性能測試,其縱、橫向室 溫拉伸性能應滿足 SAE AMS4904C:2015規定的 抗拉強度Rm 不小于1000 MPa、屈服強度Rp0.2 不 小于931MPa、斷后伸長率 A 不小于10%、斷面收 縮率Z 不小于25%的要求。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果 

各試驗因素對 Ti-6Al-4V 合金熱軋厚板橫、縱 向室溫拉伸強度和塑性的影響如表3所示。 根據正交試驗原理,極差越大表明該因素對試 驗結果的影響越大。由表3分析可知,在試驗條件 范圍內,各因素對板材橫、縱向室溫拉伸強度影響從 大到小的順序均為冷卻方式、時效溫度、時效時間、 固溶溫度,冷卻方式和時效溫度的影響較大,固溶溫 度和時效時間的影響較小;各因素下板材橫、縱向室 溫塑性指標的極差很小,說明在該試驗條件下4個 因素對板材的塑性指標基本沒有影響。 對比表3中的極差可知,固溶時效熱處理的冷 卻方式對板材室溫拉伸性能的影響最大。隨著冷卻 速率的增大,板材的橫、縱向抗拉強度和屈服強度都 大幅度提高,橫向的抗拉強度和屈服強度分別提高 了101 MPa和88 MPa,縱向的抗拉強度和屈服強 度分別提高了59 MPa和56 MPa,橫、縱向斷后伸 長率 降 低 0.8% ~2%,但 斷 面 收 縮 率 卻 提 高 了 3%~4%。時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次 之。隨著時效溫度的升高,板材橫、縱向抗拉強度均 呈下降趨勢,斷后伸長率基本保持不變,而屈服強度 和斷面收縮率呈先略微上升后基本保持不變的趨 勢,并在時效溫度為550 ℃左右達到最大值。固溶 溫度和時效時間對板材室溫拉伸性能的影響很小, 不同參數下的力學性能數據基本一致。

2.2 各因素對力學性能的影響原因分析 

合金厚板試樣經固溶空冷+時效處理后的顯微 組織形貌如圖2所示,經固溶水冷+時效處理后的 顯微組織形貌如圖3所示。根據圖2和圖3可知, 其顯微組織為典型的雙相組織,由初生α相+部分 β相轉變組織組成,隨著固溶溫度的升高,初生α相 逐漸趨于等軸化,β相轉變組織中的次生 α相從球 狀或短棒狀逐漸變為細小針狀,且初生α相的面積 分數降低,從40%降低到30%左右。 2.3 工藝參數的優化分析 SAE AMS4904C:2015 中 對 板 厚 為 25.4~ 50.8mm 的固溶時效處理后板材的力學性能的要 求為:Rm ≥1000MPa,Rp0.2≥931MPa,A≥6%,根 據表3可知,固溶處理的冷卻方式對板材室溫拉伸 性能的影響最大,采用固溶空冷后經時效處理的試 樣 ,其橫、縱向抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率均能滿足標準的要求,但屈服強度不能滿足標準的 要求;采用固溶水冷后經時效處理的試樣,在該試驗 條件下任一固溶溫度、時效溫度、時效時間的熱處理 條件組合下,其橫、縱向抗拉強度、屈服強度、斷后伸 長率和斷面收縮率等均能滿足標準的要求,且都有 較大富余量。因此固溶后冷卻方式確定為水冷。 時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次之,采 用水冷時,任一固溶溫度、時效溫度、時效時間的熱 處理條件組合,其橫、縱向抗拉強度、屈服強度、斷后 伸長率和斷面收縮率均能滿足標準的要求,但對比 來看,時效溫度為550 ℃左右時合金厚板的綜合性 能最好,因此時效溫度確定為550 ℃。 固溶溫度和時效時間對板材室溫拉伸性能的影 響很小,采用水冷的條件下不同固溶溫度和時效時 間的熱處理條件組合,其橫、縱向抗拉強度、屈服強 度、斷后伸長率和斷面收縮率均能滿足標準的要求, 且數 值 波 動 較 小。因 此,固 溶 溫 度 確 定 為 900~ 960 ℃,時效時間確定為4~6h。

3 結論

(1)在試驗條件范圍內,各因素對板材橫、縱向 室溫拉伸強度的影響從大到小的順序為冷卻方式、 時效溫度、時效時間、固溶溫度,對板材橫、縱向室溫 塑性基本沒有影響。 (2)固溶時效的冷卻方式對板材室溫拉伸性能 的影響最大,隨著冷卻速率的增大,板材的橫、縱向 抗拉強度和屈服強度都大幅度提高,斷后伸長率和 斷面收縮率的波動較小。 (3)時效溫度對板材室溫拉伸性能的影響次 之,隨著時效溫度的升高,板材橫、縱向抗拉強度均 呈下降趨勢,斷后伸長率基本保持不變,而屈服強度 和斷面收縮率呈先上升后下降趨勢,并在時效溫度 為550 ℃左右達到最大值。 (4)在該試驗條件下,Ti-6Al-4V 合金熱軋厚 板最 優 的 固 溶 時 效 熱 處 理 工 藝 為 900~960 ℃/ 1.5h,WC+550 ℃/4~6h,AC。

來源：材料與測試網