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(44)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SAEAMS4904C:2015Titanium AlloySheet,Strip,andPlate6Al-4VSolutionHeatTreatedandAged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(44)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(44)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δ35mm厚板 上 截 取 块 状 试 样,按 照SAEAMS4904C:2015的技术要求,将热处理后的试样加工成满足ASTM E8/E8M-2015StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials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SAEAMS4904C:2015规定的抗拉强度Rm不小于1000MPa、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101MPa和88 MPa,纵向的抗拉强度和屈服强度分别提高了59MPa和56MPa,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