固溶时效处理对新型耐蚀钛合金组织及性能影响

钛及钛合金具有高比强度、高耐腐蚀性、无磁等特点，是一种优异的海洋材料。但目前海洋工程装备用钛合金普遍存在强度和耐油气腐蚀能力不足的特点，而且其生产制造难度比普通钛合金大。随着国家海洋强国战略的实施以及海洋资源开发利用力度的加大，对先进高性能海洋工程装备的需求逐渐扩大，开发应用于先进船舶、海洋工程装备等领域的高强耐蚀钛合金是当前钛合金的研究热点。

一般可通过合金成分设计、加工方式和热处理手段等改善耐蚀钛合金的性能和显微组织。CHENG Y C等设计开发的Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn钛合金与纯钛、Ti-6Al-4V合金相比，在各种模拟环境下均具有良好的耐腐蚀性能，但其强度偏低。GORNAKOVA A S等研究成分、退火温度和高压扭转对Ti-V和Ti-V-Al合金组织和硬度的影响，发现Al的加入完全抑制了ω-Ti相的形成，Al的添加可以增加其硬度，且高压扭转后合金的硬度随热处理温度的升高而提高。LIN C等依据电子浓度理论分析了钛合金中添加合金元素对形成和的影响，发现高铝当量利于形成相，而较高的Zr、Mo和Nb元素有利于相形成。固溶时效热处理是一种改善金属材料微观组织和力学性能的工艺，常用来提高钛合金强度。鲁媛媛等研究了不同固溶处理温度对TC4钛合金显微组织和性能的影响，发现固溶处理有效提高了钛合金的强度，但却伴随着塑性的降低，随着固溶温度升高β相逐渐向α相转变。LI C L等研究了固溶时效处理对Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al钛合金组织和性能的影响，其力学性能显著提高。YANG X W`等通过固溶时效处理，改善了Ti-6Al-4V钛合金的组织和耐蚀性能，微观组织由片层组织转变为网篮组织，此外腐蚀电流密度明显降低，提高了耐腐蚀性能。对于铝当量较高的近α合金，难以将亚稳β相保留至时效温度，因此合金不具备时效强化效果。然而通过固溶处理可以获得并调控马氏体显微组织结构，一方面可有效提高合金室温塑性，另一方面也能间接改善合金的时效强化效果，最终实现合金加工及使用性能的提升。

【资料图】

目前关于耐蚀钛合金成分设计、加工方式和热处理手段对其显微组织和性能的研究较少。本课题以新设计开发的Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo耐蚀钛合金为研究对象，依次经过3次VAR炉熔炼、开坯锻造、热轧、固溶时效处理等过程，研究不同的固溶温度对钛合金板材组织、力学性能的影响规律，以期为改善耐蚀钛合金组织和性能提供参考。

【试验材料及方案】

试验材料名义成分为Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo（以下简称Ti55211），选用0级海绵钛、海绵锆、钛锡合金、铝铌中间合金、铝钼中间合金等作为原材料，在真空自耗电弧炉中进行3次熔炼，采用化学分析法检测钛合金铸锭的化学成分见表1。将Ti55211钛合金3次铸锭进行开坯、锻造，然后运用两辊可逆轧机热轧成板材，再进行固溶时效热处理。热轧工艺为将坯料加热至960℃后保温60 min进行一火热轧；回炉加热至950 ℃后长宽换向进行二火热轧；二火轧制板材再次回炉加热至940 ℃进行三火轧制，最后空冷至室温，板材的最终厚度为8 mm，终轧温度为820℃。经差示扫描量热仪实测得Ti55211钛合金热轧板材的相变温度为950℃，据此制定固溶时效处理热处理工艺见表2。

将固溶时效后的Ti55211钛合金板材切割为10 mm ×10 mm×8 mm的试样进行研磨、抛光，金相腐蚀采用Kroll试剂，HF、HNO3、H2O体积配比为1:2:7，采用Nikon ECLIPSE MA200倒置显微镜观察试样金相组织。采用SHT4605微机控制电液伺服万能试验机进行板材单向室温拉伸性能，试样尺寸见图1，采用ZEISS EVO18扫描电镜观察试样断口形貌。采用TH320型洛氏硬度计检测试样硬度，载荷为1471 N，加载时间为10 s，每个试样测5次取平均值。

图1 拉伸试样尺寸

【图文结果】

Ti55211钛合金固溶时效后的板材显微组织见图2。由图2a~图2c可看出，900 ℃时Ti55211钛板材的纵、横、轧制三个面组织均由α相、β相和少量的β转变组织构成，但β相呈现弥散无规则分布状态，且β转变组织尺寸普遍偏小。经软件计算，轧制面α相的体积分数约为83.47%。由图2d~图2f可看出，930℃时板材的纵、横、轧面的组织由α相、β相和β转变组织构成，但β转变组织较900℃下固溶时效组织存在明显变大的趋势，且纵截面和轧制面的组织呈现明显等轴化趋势，其原因是固溶处理温度930℃在Ti55211钛合金的α+β两相区，在α相转变为β相时发生了再结晶变化，但由于温度不高，没有形成完全等轴的α相，在此过程中β转变组织发生长大变粗。经软件计算，轧制面α相的体积分数约为86.11%，较900℃时的体积分数有所增加。由图2g~图2i可看出，960 ℃下板材的纵、横和轧面的组织发生显著变化，与低温固溶时效板材的组织不同，其组织为魏氏组织形貌，存在清晰的晶界α相和粗大的β晶粒，主要是因为在960℃的固溶时，超过了Ti55211钛合金的相变点温度，大部分α相得以转变为β相，在淬火时保留下来，经计算轧制面α相的体积分数约为46.37%。由图2c、图2f和图2i可知，当在相变点之前进行固溶处理时，随着固溶温度的升高，Ti55211钛合金板材轧制面的组织由不规则弥撒分布的组织变为等轴组织；当在相变点之后进行固溶处理时，组织变为魏氏组织。

综上，当固溶温度从900 ℃升到930 ℃时，Ti55211钛合金组织呈现等轴化，α相逐渐增加，体积分数从83.47% 增至86.11%，表明α相发生了部分动态再结晶，α相聚集球化，β转变组织也长大变粗；当在960 ℃西固溶时，组织呈现魏氏组织形貌，α相含量大幅降低至46.37%，等轴状α相减少。

（a）900 ℃，纵截面 （b）900 ℃，横截面 （c）900 ℃，轧制面

（d）930 ℃，纵截面 （e）930 ℃，横截面 （f）930 ℃，轧制面

（g）960 ℃，纵截面 （h）960 ℃，横截面 （i）960 ℃，轧制面

图2 Ti55211钛合金固溶时效板材的显微组织

图3为Ti55211钛合金板材在不同温度下固溶时效后的力学性能。可以看出，Ti55211钛合金固溶时效前板材的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为1001 MPa、842 MPa和5.5%。板材在900℃固溶时效后，其抗拉强度、屈服强度以及伸长率分别为855 MPa、779 MPa和14.5%，较固溶时效处理前抗拉强度降低了14.58%，伸长率提高了163.6%。其原因是热轧板材的组织分布不均，十分凌乱，α相、β相的尺寸各异，而在固溶时效处理后这一现象明显得到改善，内部由于轧制变形造成的应力集中在时效过程得到释放，其伸长率故而大幅增加。板材在930℃固溶时效后，其抗拉强度、屈服强度以及伸长率分别为886 MPa、791 MPa和14.0%，较固溶时效处理前抗拉强度降低了11.49%，伸长率提高了154.5%。板材在960℃固溶时效后，其抗拉强度、屈服强度以及伸长率分别为927 MPa、851 MPa和12.5%，较固溶时效处理前抗拉强度降低了7.39%，屈服强度提高了1.07%，伸长率提高了127.27%。

图3 Ti55211固溶时效板材的力学性能

随着固溶温度的升高，Ti55211钛合金板材的抗拉强度和屈服强度随之提高，而伸长率随之降低。在930℃固溶时效后板材较900℃时效后板材的β转变组织数量更多、尺寸更大，因而强度较900℃时效时更高；当960℃固溶时效后，组织变为魏氏组织，有大量粗大的β晶粒，强度进一步提高，而原有的等轴α相减少导致塑性下降。另外，在930℃固溶时效后具有最高的强塑性，说明在该固溶时效热处理工艺下的Ti55211钛合金板材综合力学性能最佳。

图4为Ti55211钛合金在不同固溶时效处理后试样的室温拉伸断口形貌组织。由图4可知，在900、930和960℃固溶时效热处理的拉伸试样的断口形貌均由大量的韧窝组成，断裂方式属于韧性断裂方式。其中，图4a和图4b中的大韧窝中包含有大量小韧窝，深度更深；而图4c中的很多韧窝较浅甚至不完整，局部区域存在解理台阶，塑性相对较差，此现象与力学性能一致。综上所述，三种固溶时效热处理后的Ti55211钛合金板材断口形貌均由韧窝构成，属于韧性断裂。

图4 Ti55211固溶时效板材拉伸试样断口形貌

(a) 900 ℃；(b)930 ℃；(c) 960 ℃

图5为Ti55211钛合金板材在不同固溶温度下保温30 min，在580 ℃下时效3 h后的硬度。可以看出，Ti55211钛合金板材在900、930、960 ℃下固溶时效处理后的硬度逐渐增大，但增大幅度不大。固溶时效板材的洛氏硬度较热轧板材的硬度均出现了一定幅度的下降，说明固溶时效热处理对Ti55211钛合金热轧板材存在一定的软化效果，其原因可能是固溶处理改善了热轧后原本凌乱的组织，时效过程又释放了变形产生的应力。另外，随着固溶温度的增加，其固溶时效板材的洛氏硬度随之增高，与抗拉强度和屈服强度的变化趋势一致，与伸长率变化趋势相反。

图5 Ti55211固溶时效板材的洛氏硬度

【结论】

(1) Ti55211钛合金热轧板材在不同温度固溶并时效处理后，组织产生了较大变化。当固溶温度从900℃升高到930℃时，组织呈现等轴化趋势，β转变组织明显增多；当在960℃进行固溶时，有粗大的β晶粒和晶界α，其组织为魏氏组织形貌。

(2) 随着固溶温度的不断升高，Ti55211钛合金板材的抗拉强度、屈服强度和洛氏硬度随之升高，而伸长率随之下降。板材在930℃固溶时效后的抗拉强度、屈服强度以及伸长率分别为886 MPa、791 MPa和14.0%，此热处理工艺下综合力学性能最佳。三种固溶时效热处理后的板材断口形貌均由韧窝构成，属于韧性断裂。

【文献引用】

谭聪，张静，董英杰，等.固溶时效对Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo合金组织及性能影响[J].特种铸造及有色合金,2023,43(1):109-113.

TAN C,ZHANGJ,DONG YJ,et al.Effect of solution aging treatment on microstructure and properties of Ti-5.5Al-2.0Zr-1.5Sn-1.5Nb-0.5Mo alloy[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(1):109-113.

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