新一代650℃級(jí)高溫鈦合金Ti65厚截面鍛件工程化應(yīng)用基礎(chǔ)與熱處理制度設(shè)計(jì)研究：不同固溶冷卻方式誘導(dǎo)的顯微組織異質(zhì)性對(duì)材料室溫拉伸強(qiáng)度、高溫塑性變形抗力及長期熱穩(wěn)定性行為的關(guān)聯(lián)性分析，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣葉盤制造提供關(guān)鍵熱處理工藝數(shù)據(jù)支撐

高溫鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)，能夠在高溫條件下表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性、較高的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變性能[1-2]，在航空、航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為制造現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、葉盤的重要材料之一。Ti65合金是一種新型近a型高溫鈦合金,是由中國科學(xué)院金屬研究所在Ti60合金基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，其使用溫度在600~650℃之間。與Ti60合金相比，Ti65合金中減少了Sn、Zr元素含量，增加了Ta、W元素含量，并添加了Si元素，從而有效改善了合金的抗蠕變性能和持久性能[2-3]。因此，Ti65合金除了具備較高的強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性外，還獲得了在650℃下更好的高溫蠕變抗性和持久性能，使強(qiáng)度、韌性、蠕變性能和疲勞性能達(dá)到良好匹配[4]。a+β兩相鈦合金和近a鈦合金均具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，因此，Ti65合金理想的組織形態(tài)為雙態(tài)組織。為兼顧Ti65合金在室溫和高溫下的綜合性能，其鍛造和熱處理均在兩相區(qū)內(nèi)完成，一般將等軸初生α相含量控制在5%~25%之間[5-7]。

熱處理是調(diào)控近a型鈦合金顯微組織和性能的重要手段之一，研究人員針對(duì)Ti65合金進(jìn)行了大量熱處理工藝研究。吳汐玥等人[8]研究了固溶溫度對(duì)Ti65合金板材顯微組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著固溶溫度的升高，等軸初生α相體積分?jǐn)?shù)逐漸減少，經(jīng)過1015℃/1h/AC+700℃/4h/AC熱處理后，等軸α相體積分?jǐn)?shù)降低至5%左右，室溫及650℃高溫拉伸性能均匹配良好。Yue等人[6]在研究固溶冷卻速率對(duì)小規(guī)格Ti65合金棒材力學(xué)性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速率的加快，合金在室溫和650℃條件下的拉伸強(qiáng)度和塑性都得到顯著提高，持久時(shí)間先增加后減少，斷后伸長率先減小后增大。鄧雨亭等人[9]研究了厚截面Ti65合金餅坯鍛件的持久性能及位錯(cuò)演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)從鍛件邊緣到心部，室溫抗拉強(qiáng)度和650℃高溫抗拉強(qiáng)度均逐漸降低，最后保持穩(wěn)定，持久斷裂時(shí)間則逐漸增加，最后保持不變;厚片層α相內(nèi)部彌散分布的a2相，有利于提升持久性能。譚海兵等人[10]研究了熱處理對(duì)Ti65合金棒材顯微組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1030℃一次固溶+(800~950)℃二次固溶+700℃時(shí)效后，合金的室溫拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢。此外，研究人員還開展了Ti65合金本構(gòu)方程及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的建立、熱變形后的顯微組織表征、織構(gòu)演變及力學(xué)性能分析等工作[11-17]。固溶處理是鈦合金鍛件加工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，在不同的冷卻速率下，從β轉(zhuǎn)變組織中析出的次生α相形態(tài)不同，從而直接影響合金的力學(xué)性能。目前，固溶冷卻方式對(duì)Ti65合金厚截面鍛件顯微組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律尚不明確。為此，以Ti65合金厚截面鍛件為研究對(duì)象，系統(tǒng)對(duì)比研究了固溶處理后風(fēng)冷與油冷兩種冷卻方式對(duì)鍛件顯微組織、室溫拉伸性能以及650℃高溫拉伸、蠕變與持久性能的影響，旨在為該合金熱處理工藝的制定提供數(shù)據(jù)支撐，并推動(dòng)Ti65合金的工程化應(yīng)用。

1、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為?150mm的Ti65合金棒材，通過金相法測定棒材的相變溫度約為1043℃，其化學(xué)成分如表1所示。在1003℃下將棒材鍛造成如圖1a所示的盤形鍛件，最大厚度為120mm。自盤形鍛件中心沿縱向?qū)⑵淦史譃镾1和S2兩塊，分別按照表2所示熱處理工藝進(jìn)行固溶+時(shí)效處理。其中，S1鍛件采用風(fēng)冷(FAC)方式冷卻，S2鍛件采用油冷(OC)方式冷卻。

表1 Ti65合金棒材化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of Ti65 alloy bar

表2 Ti65合金鍛件熱處理工藝

Table 2 Heat treatment processes of Ti65 alloy forging

表3蠕變和持久性能測試條件

Table 3 Testing conditions of creep and stress rupture properties

2、結(jié)果與分析

2.1顯微組織

Ti65合金的固溶溫度處于a+β兩相區(qū)，在保溫過程中形成了明顯的晶界，隨后的風(fēng)冷或油冷過程中，在形成晶界α相的同時(shí)，β轉(zhuǎn)變組織中逐漸析出了交織排布的片層狀次生α相。由于冷卻速率不同，析出的晶界α相和片層狀次生α相的厚度各不相同。當(dāng)以風(fēng)冷方式冷卻時(shí)，整體冷卻速率較慢，鍛件邊緣先冷卻，β轉(zhuǎn)變組織中的片層狀次生α相不再長大，而心部仍然保持高溫狀態(tài)，片層狀次生α相繼續(xù)長大，造成鍛件心部的片層狀次生α相厚度略大于邊緣。與風(fēng)冷相比，油冷的冷卻速率更快，鍛件心部和邊緣的冷卻速率相近，晶界上和β轉(zhuǎn)變組織中析出的次生α相均來不及長大，因而鍛件心部和邊緣的初生α相含量、晶粒尺寸以及β轉(zhuǎn)變組織中的片層狀次生α相厚度差異很小，且與風(fēng)冷后的次生α相相比更加細(xì)小。

2.2拉伸性能

細(xì)晶強(qiáng)化是金屬材料最有效的強(qiáng)化方法之一。根據(jù)位錯(cuò)理論，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶粒越細(xì)小，晶界數(shù)量越多，相鄰晶粒產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)需要的應(yīng)力越大，強(qiáng)化效應(yīng)越顯著。Ti65合金在冷卻過程中析出的片層狀次生α相交織排布，形成了大量的α相與β相界面，從而阻礙了位錯(cuò)滑移，減小了位錯(cuò)的有效滑移長度，使合金得到強(qiáng)化，強(qiáng)度明顯提高[18]。

Ti65合金鍛件以風(fēng)冷方式冷卻時(shí)，析出的片層狀次生α相厚度為3~5μm，強(qiáng)化效果相對(duì)較弱，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1015MPa和904MPa，斷后伸長率和斷面收縮率分別為11%和21.5%。當(dāng)鍛件以油冷方式冷卻時(shí)，析出的片層狀次生α相厚度減小到1~3μm，α相與β相界面增多，強(qiáng)化效果增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增加至1099MPa和996MPa，斷后伸長率和斷面收縮率則下降至9.5%和11%。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固溶冷卻速率的加快可以提升合金的室溫強(qiáng)度、650℃強(qiáng)度和塑性，但會(huì)使室溫塑性下降。抗拉強(qiáng)度與冷卻過程中析出的片層狀次生α相厚度呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3蠕變性能

金屬材料的高溫蠕變由晶界的滑動(dòng)以及晶內(nèi)的位錯(cuò)攀移和滑移主導(dǎo)。在高溫蠕變過程中，顯微組織形態(tài)是決定其蠕變性能的重要因素:等軸狀初生α相的界面較多，抗蠕變性能較差;片層狀次生α相的界面較少，抗蠕變性能較好[20]。風(fēng)冷方式下鍛件的初生α相體積分?jǐn)?shù)與油冷鍛件的初生α相體積分?jǐn)?shù)相近，但油冷方式下鍛件的片層狀次生α相厚度小于風(fēng)冷方式，使其具有更多的界面，因此，油冷鍛件的抗蠕變性能更好。

材料的蠕變性能反映了材料長期在恒溫、恒載荷作用下抵抗緩慢塑性變形的能力。本實(shí)驗(yàn)中，隨著冷卻速率的加快，冷卻過程中析出的片層狀次生α相厚度減小，使得Ti65合金鍛件抵抗蠕變變形的能力增強(qiáng)。因此，對(duì)于Ti65合金鍛件，其蠕變性能與固溶冷卻過程中析出的片層狀次生α相厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.4持久性能

持久性能反映了材料在高溫環(huán)境下長時(shí)間使用時(shí)保持力學(xué)性能的能力。由圖2可知，隨著冷卻速率的加快，Ti65合金片層狀次生α相的厚度減小，導(dǎo)致初生α相和β相界面數(shù)量增多，阻礙位錯(cuò)滑移和攀移的能力增大，這使得合金在恒定應(yīng)力載荷作用下需要較大的應(yīng)力才能產(chǎn)生裂紋，同時(shí)裂紋沿晶界擴(kuò)展的曲折程度增加，消耗的能量增加，從而提高了合金的持久性能[21]。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ti65合金鍛件的持久性能與固溶冷卻過程中析出的片層狀次生α相厚度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3、結(jié)論

(1)Ti65合金鍛件固溶處理時(shí)分別以風(fēng)冷和油冷方式冷卻后，形成了厚度不一的片層狀次生α相，顯微組織均為等軸狀初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成的雙態(tài)組織。

(2) Ti65合金鍛件的力學(xué)性能與其片層狀次生α相厚度有直接關(guān)系。隨著固溶冷卻速率的加快，片層狀次生α相的厚度顯著減小，室溫強(qiáng)度提高、塑性下降，650℃拉伸、蠕變和持久性能均增大。

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（注，原文標(biāo)題：冷卻方式對(duì)Ti65合金鍛件組織和性能的影響_劉秀良）