新一代650℃級高溫鈦合金Ti65厚截面鍛件工程化應(yīng)用基礎(chǔ)與熱處理制度設(shè)計研究：不同固溶冷卻方式誘導(dǎo)的顯微組織異質(zhì)性對材料室溫拉伸強度、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)動機機匣葉盤制造提供關(guān)鍵熱處理工藝數(shù)據(jù)支撐

高溫鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕、耐高溫等特點，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)動機機匣、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小規(guī)格Ti65合金棒材力學(xué)性能的影響時發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速率的加快，合金在室溫和650℃條件下的拉伸強度和塑性都得到顯著提高，持久時間先增加后減少，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演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)從鍛件邊緣到心部，室溫抗拉強度和650℃高溫抗拉強度均逐漸降低，最后保持穩(wěn)定，持久斷裂時間則逐漸增加，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℃時效后，合金的室溫拉伸強度和屈服強度均呈現(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象，系統(tǒng)對比研究了固溶處理后風(fēng)冷與油冷兩種冷卻方式對鍛件顯微組織、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Ti65合金的工程化應(yīng)用。

1、實驗

實驗材料為?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，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，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)晶強化是金屬材料最有效的強化方法之一。根據(jù)位錯理論，晶界阻礙位錯運動，晶粒越細(xì)小，晶界數(shù)量越多，相鄰晶粒產(chǎn)生變形或運動需要的應(yīng)力越大，強化效應(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，從而阻礙了位錯滑移，減小了位錯的有效滑移長度，使合金得到強化，強度明顯提高[18]。

Ti65合金鍛件以風(fēng)冷方式冷卻時，析出的片層狀次生α相厚度為3~5μm，強化效果相對較弱，抗拉強度和屈服強度分別為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，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，強化效果增強，抗拉強度和屈服強度分別增加至1099MPa和996MPa，斷后伸長率和斷面收縮率則下降至9.5%和11%。

以上實驗結(jié)果表明，固溶冷卻速率的加快可以提升合金的室溫強度、650℃強度和塑性，但會使室溫塑性下降。抗拉強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以及晶內(nèi)的位錯攀移和滑移主導(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。本實驗中，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。因此，對于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)境下長時間使用時保持力學(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，同時裂紋沿晶界擴展的曲折程度增加，消耗的能量增加，從而提高了合金的持久性能[21]。

以上實驗結(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，室溫強度提高、塑性下降，650℃拉伸、蠕變和持久性能均增大。

參考文獻(xiàn) References

[1]向霽旸，宋雨宸，王琳，等.蠕變預(yù)加載Ti6321鈦合金的動態(tài)力學(xué)性能和絕熱剪切研究[J].稀有金屬材料與工程，2024,53(7):2035-2041.

[2]戴毅，曹江海，秦羽滿，等.Ti60合金VAR熔煉過程熔體流動與宏觀偏析的數(shù)值模擬研究[J].稀有金屬材料與工程，2024,53(3):701-708.

[3]張智鑫.Ti65合金薄板軋制成形及其組織力學(xué)性能關(guān)系[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2021.

[4]劉瑩瑩，陳子勇，金頭男，等.600℃高溫鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].材料導(dǎo)報,2018,32(11):1863-1869.

[5]黨博豪，辛社偉，劉卓萌，等.Ti650合金650℃熱暴露組織與性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2025，54(10):2575-2582.

[6] Yue K, Liu J R, Zhu S X, et al. Origins of different tensile behaviors induced by cooling rate in a near alpha titanium alloy Ti65[J]. Materialia,2018,1:128-138.

[7] Yue K, Liu J R, Zhang H J, et al. Precipitates and alloying elements distribution in near a titanium alloy Ti65[J]. Journal of Materials Science and Technology,2020, 36: 91-96.

[8]吳汐玥，陳志勇，程超，等.熱處理對 Ti65鈦合金板材的顯微組織、織構(gòu)及拉伸性能的影響[J].材料研究學(xué)報，2019,33(10):785-793.

[9]鄧雨亭，王旭，劉英颯，等.Ti65合金餅坯鍛件持久性能及位錯演變規(guī)律研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2024,41(3):1-8.

[10]譚海兵，臧健，梁弼寧，等.中溫?zé)崽幚韺i65合金淬火組織及室溫拉伸性能的影響[J].材料研究學(xué)報，2023,37(12):881-888.

[11]李萍，許海峰，孟淼，等.Ti65鈦合金熱變形行為及本構(gòu)方程[J].塑性工程學(xué)報,2024,31(2):120-128.

[12]田垚,余俊,張浩,等.耦合氫含量的置氫Ti65高溫鈦合金本構(gòu)方程[J].鍛壓技術(shù),2023,48(6):204-213.

[13]邵光保，胡進(jìn)，占克勤，等.置氫Ti65鈦合金高溫流變行為和熱加工性能[J].鍛壓技術(shù),2023,48(8):253-260.

[14] Zhang Z X, Fan J K, Tang B, et al. Microstructural evolution and FCC twinning behavior during hot deformation of high temperature titanium alloy Ti65[J]. Journal of Materials Science& Technology,2020,49:56-69.

[15] Zhang Z X, Fan J K, Wu Z H, et al. Precipitation behavior and strengthening-toughening mechanism of hot rolled sheet of Ti65 titanium alloy during aging process[J]. Journal of Alloys and Compounds,2020,831:154786.

[16] Zhang Z X, Fan J K, Li R F, et al. Orientation dependent behavior of tensile-creep deformation of hot rolled Ti65 titanium alloy sheet[J]. Journal of Materials Science and Technology,2021,75:265-275.

[17] Zhao D, Fan J K, Zhang Z X, et al. Influence of a+β solution treatments on Ti65 ultrathin sheets: silicide precipitation,mechanical behaviour and novel{1011} twinning system[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2023,33(4):1098-1113.

[18]王志錄,胡博文,范佳俊,等.冷卻速率對Ti55531合金組織與性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2023,40(6):22-26.

[19]劉智恩.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].5版.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2019:239-241.

[20]劉秀良,王海豐,商國強,等.鍛造溫度和變形量對 Ti65合金組織和性能的影響[J].中國材料進(jìn)展,2024,43(11):1043-1050.

[21]孫昊,劉征,趙子博,等.熱處理工藝對Ti60合金持久性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2020,37(1):22-26.

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