分享：Ti-6Al-4V合金厚板固溶时效热处理工艺的 正交试验优化
李 笑,李 剑
(宝鸡钛业股份有限公司,宝鸡 721014)
摘 要:通过在热处理参数选择过程中引入正交试验,确定了固溶温度、冷却方式、时效温度和 时效时间4个影响因素,并采用 L16(4 4)正交表4因素、4水平的16组热处理工艺进行试验对工艺 进行优化。结果表明:在该试验条件下,各因素对板材横、纵向室温强度影响从大到小的顺序为冷 却方式、时效温度、时效时间、固溶温度,对室温塑性基本没有影响;固溶后的冷却方式对板材室温 拉伸性能的影响最大,随着冷却速率的增大,板材的横、纵向抗拉强度和屈服强度都大幅度提高,断 后伸长率和断面收缩率的波动较小;时效温度对板材室温拉伸性能的影响次之,随着时效温度的升 高,板材横、纵向抗拉强度均呈下降趋势,断后伸长率基本保持不变,而屈服强度和断面收缩率呈先略 微上升后基本保持不变的趋势,并在时效温度为550 ℃左右达到最大值。在该试验条件下,Ti-6Al- 4V合金热轧厚板最优的固溶时效热处理工艺为900~960℃/1.5h,水冷+550℃/4~6h,空冷。
关键词:Ti-6Al-4V 合金;固溶时效;正交试验;热处理;力学性能 中图分类号:TG146 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)03-0014-05
Ti-6Al-4V 合金是一种典型的α+β型两相钛 合金,具有优异的综合性能,广泛应用于航空、航舰船、兵器、化工、医疗等领域[1-2]。在航空、航天工 业中,Ti-6Al-4V 合金板材是成熟应用于飞机和发 动机的主要结构材料之一,可以减轻质量、优化结 构、降低飞行成本,因此已逐渐替代钢、镍基合金成 为某些大型结构件的材料。Ti-6Al-4V 合金厚板通 常在普通退火状态下使用,随着材料加工技术的发 展和 为 满 足 结 构 件 成 型 使 用 的 要 求,美 国 SAE AMS4904C:2015Titanium AlloySheet,Strip, and Plate 6Al-4V Solution Heat Treated and Aged 中规定了 Ti-6Al-4V 合金厚板须固溶时效热 处理后 交 付,并 对 板 材 力 学 性 能 提 出 了 更 高 的 要求[3]。 通过对热处理参数选择过程中引入正交试验, 从多因素、多水平入手,挑出部分有代表性的影响因 素进行试验,根据试验因素、因素水平及是否有交互 等需求查找相应的正交点,挑选有代表性的影响因 素进行试验即可实现以最少的试验次数达到全面试 验的效果[4]。为找出 Ti-6Al-4V 合金厚板最佳固溶 时效参数、降低检验成本,笔者确定了固溶温度、冷 却方 式、时 效 温 度、时 效 时 间 4 个 因 素,采 用 L16(4 4)正交表4因素、4水平的16组热处理工艺 进行试验,以力学性能作为考核指标得到最佳的热 处理参数,为 Ti-6Al-4V 合金厚板整体热处理工艺 的确定提供依据。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验材料为经3次真空自耗电弧炉熔炼制备的 Ti-6Al-4V 合金铸锭,规格为?720mm,铸锭经β相 锻造 开 坯 和 α+β 两 相 区 锻 造,得 到 厚 度 δ 为 250mm 的板 坯,然 后 在 两 相 区 轧 制 成 厚 度δ 为 35mm 的 板 材,其 化 学 成 分 中 铝 元 素 的 含 量 为 6.46%~6.50% (质 量 分 数,下 同),钒 元 素 含 量 为 4.19%~4.22%,铁元素含量为0.17%~0.19%,氧 元 素 含 量 为 0.16% ~0.18%,氢 元 素 含 量 为 0.003%,其余为钛元素,相变点为1000~1010℃。 板材的显微组织由等轴和拉长的α相及部分β相转 变组织组成,无完整的原始β相晶界,其显微组织形 貌如图1所示。
1.2 试验方法
采用 L16(4 4)正交试验研究固溶温度、冷却方 式、时效温度、时效时间等4个因素对 Ti-6Al-4V 合 金热轧厚板强度和塑性的影响。试验因素及水平如表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;正交试验方案如表 2 所示,其 中 AC为空冷,WC为水冷。
1.3 力学性能测试
在δ35 mm 厚 板 上 截 取 块 状 试 样,按 照 SAE AMS4904C:2015的技术要求,将热处理后的试样 加工成满足 ASTM E8/E8M-2015StandardTest MethodsforTensionTestingofMetallicMaterials 要求的规格为?12.5mm 的标准试样,在电子万能 拉伸试验机上进行室温拉伸性能测试,其纵、横向室 温拉伸性能应满足 SAE AMS4904C:2015规定的 抗拉强度Rm 不小于1000 MPa、屈服强度Rp0.2 不 小于931MPa、断后伸长率 A 不小于10%、断面收 缩率Z 不小于25%的要求。
2 试验结果与分析
2.1 正交试验结果
各试验因素对 Ti-6Al-4V 合金热轧厚板横、纵 向室温拉伸强度和塑性的影响如表3所示。 根据正交试验原理,极差越大表明该因素对试 验结果的影响越大。由表3分析可知,在试验条件 范围内,各因素对板材横、纵向室温拉伸强度影响从 大到小的顺序均为冷却方式、时效温度、时效时间、 固溶温度,冷却方式和时效温度的影响较大,固溶温 度和时效时间的影响较小;各因素下板材横、纵向室 温塑性指标的极差很小,说明在该试验条件下4个 因素对板材的塑性指标基本没有影响。 对比表3中的极差可知,固溶时效热处理的冷 却方式对板材室温拉伸性能的影响最大。随着冷却 速率的增大,板材的横、纵向抗拉强度和屈服强度都 大幅度提高,横向的抗拉强度和屈服强度分别提高 了101 MPa和88 MPa,纵向的抗拉强度和屈服强 度分别提高了59 MPa和56 MPa,横、纵向断后伸 长率 降 低 0.8% ~2%,但 断 面 收 缩 率 却 提 高 了 3%~4%。时效温度对板材室温拉伸性能的影响次 之。随着时效温度的升高,板材横、纵向抗拉强度均 呈下降趋势,断后伸长率基本保持不变,而屈服强度 和断面收缩率呈先略微上升后基本保持不变的趋 势,并在时效温度为550 ℃左右达到最大值。固溶 温度和时效时间对板材室温拉伸性能的影响很小, 不同参数下的力学性能数据基本一致。
2.2 各因素对力学性能的影响原因分析
合金厚板试样经固溶空冷+时效处理后的显微 组织形貌如图2所示,经固溶水冷+时效处理后的 显微组织形貌如图3所示。根据图2和图3可知, 其显微组织为典型的双相组织,由初生α相+部分 β相转变组织组成,随着固溶温度的升高,初生α相 逐渐趋于等轴化,β相转变组织中的次生 α相从球 状或短棒状逐渐变为细小针状,且初生α相的面积 分数降低,从40%降低到30%左右。 2.3 工艺参数的优化分析 SAE AMS4904C:2015 中 对 板 厚 为 25.4~ 50.8mm 的固溶时效处理后板材的力学性能的要 求为:Rm ≥1000MPa,Rp0.2≥931MPa,A≥6%,根 据表3可知,固溶处理的冷却方式对板材室温拉伸 性能的影响最大,采用固溶空冷后经时效处理的试 样 ,其横、纵向抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率均能满足标准的要求,但屈服强度不能满足标准的 要求;采用固溶水冷后经时效处理的试样,在该试验 条件下任一固溶温度、时效温度、时效时间的热处理 条件组合下,其横、纵向抗拉强度、屈服强度、断后伸 长率和断面收缩率等均能满足标准的要求,且都有 较大富余量。因此固溶后冷却方式确定为水冷。 时效温度对板材室温拉伸性能的影响次之,采 用水冷时,任一固溶温度、时效温度、时效时间的热 处理条件组合,其横、纵向抗拉强度、屈服强度、断后 伸长率和断面收缩率均能满足标准的要求,但对比 来看,时效温度为550 ℃左右时合金厚板的综合性 能最好,因此时效温度确定为550 ℃。 固溶温度和时效时间对板材室温拉伸性能的影 响很小,采用水冷的条件下不同固溶温度和时效时 间的热处理条件组合,其横、纵向抗拉强度、屈服强 度、断后伸长率和断面收缩率均能满足标准的要求, 且数 值 波 动 较 小。因 此,固 溶 温 度 确 定 为 900~ 960 ℃,时效时间确定为4~6h。
3 结论
(1)在试验条件范围内,各因素对板材横、纵向 室温拉伸强度的影响从大到小的顺序为冷却方式、 时效温度、时效时间、固溶温度,对板材横、纵向室温 塑性基本没有影响。 (2)固溶时效的冷却方式对板材室温拉伸性能 的影响最大,随着冷却速率的增大,板材的横、纵向 抗拉强度和屈服强度都大幅度提高,断后伸长率和 断面收缩率的波动较小。 (3)时效温度对板材室温拉伸性能的影响次 之,随着时效温度的升高,板材横、纵向抗拉强度均 呈下降趋势,断后伸长率基本保持不变,而屈服强度 和断面收缩率呈先上升后下降趋势,并在时效温度 为550 ℃左右达到最大值。 (4)在该试验条件下,Ti-6Al-4V 合金热轧厚 板最 优 的 固 溶 时 效 热 处 理 工 艺 为 900~960 ℃/ 1.5h,WC+550 ℃/4~6h,AC。
来源：材料与测试网
