賈志偉，馮芝華，王紅紅，南海

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100095；2. 北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

ZTA15合金仿制于俄羅斯BT20Л鈦合金[1]，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，屬于高Al當量近α型鈦合金，具有良好的鑄造工藝性能、焊接性能和綜合力學性能。ZTA15合金的室溫力學性能與ZTC4合金相當，在350～500 ℃時，合金強度明顯高于ZTC4合金。近年來隨著鑄造技術(shù)水平的提高、熱等靜壓(HIP)和特種熱處理工藝的應(yīng)用，ZTA15合金鑄件的質(zhì)量和性能已經(jīng)接近其變形件的水平，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機、導(dǎo)彈、運載火箭和衛(wèi)星等室溫、高溫承力構(gòu)件[2]。

鈦合金結(jié)構(gòu)件在承受高溫熱循環(huán)作用時，其性能會惡化，壽命會降低[3]，許多研究者[4—10]針對不同的鈦合金，分析并研究了熱處理次數(shù)對合金組織與力學性能的影響。許多大型薄壁復(fù)雜框型鈦合金精鑄件因鑄件結(jié)構(gòu)特點以及相應(yīng)的技術(shù)難點，導(dǎo)致鑄件在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)尺寸迭代變形，需要通過多次高溫熱處理進行熱矯正解決變形問題，提高鑄件尺寸精度，同時要求力學性能需滿足高溫 400 ℃拉伸性能指標要求，因此，文中通過研究多次920 ℃高溫熱處理對ZTA15合金鑄件組織與性能的影響，旨在為鑄件整體熱矯正提供技術(shù)支持，同時以期對該材料推廣應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 實驗方法

ZTA15合金鑄錠按照表1所示的范圍進行配制，鑄件及附鑄試樣采用熔模精密鑄造方法澆注成形，選用Y2O3面層材料和ZrO2背層材料制備型殼。鑄件澆注成形后通過熱等靜壓處理，消除內(nèi)部縮松、縮孔缺陷。熱等靜壓工藝參數(shù)為：保壓溫度(920±20) ℃，氬氣壓力110～140 MPa，保溫時間2.0～2.5 h，隨爐冷卻至 300 ℃以下后出爐空冷。鑄件在真空退火爐中使用專用的石墨型胎具進行整體熱矯正，退火溫度(920±20) ℃，保溫1.5～2.0 h，隨爐冷卻至300 ℃以下后出爐空冷。

試樣取自Ф15 mm×120 mm試棒，隨鑄件同爐熱等靜壓后，在(920±20) ℃退火溫度下，分別循環(huán)退火1, 2, 3, 4, 5次。試樣加工成標準拉伸件后，按照GB/T 228.1和 GB/T 4338標準進行室溫和高溫400 ℃力學性能拉伸。金相試樣用 HF+HNO3+H2O（體積比為1∶1∶7）腐蝕液侵蝕后，在光學顯微鏡下進行宏觀和顯微組織觀察。在 20和 400 ℃下，ZTA15合金力學性能指標要求見表2。

表1 ZTA15合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of ZTA15 alloy (mass fraction) %

表2 ZTA15合金力學性能指標要求Tab.2 Mechanical property requirement of ZTA15 alloy

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 化學成分

ZTA15鈦合金屬于近α型合金，通過α穩(wěn)定元素Al的固溶強化，同時加入少量的中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo, V，使合金的熱穩(wěn)定性有所提高，并且提高合金在高溫下的強度與抗蠕變性能，可在 500 ℃以下穩(wěn)定使用[2]。取澆注的ZTA15試樣進行化學成分分析，結(jié)果見表3。

表3 ZTA15化學成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）Tab.3 Testing result for composition of ZTA15 (mass fraction) %

2.2 鑄態(tài)組織與HIP組織

ZTA15合金組織由α,β兩相組成，α相是該合金的基本相，其數(shù)量、形狀、尺寸直接決定于合金最終經(jīng)歷的熱工藝。ZTA15合金鑄態(tài)組織和 HIP組織見圖1。在鑄造狀態(tài)下典型組織為魏氏組織和網(wǎng)籃組織，該組織在鑄造澆注過程中直接由β相向α相轉(zhuǎn)變形成，粗大晶界和粗大板條狀組織隨處可見，原始β晶粒清晰可見，顯著的α相分別單獨地沿著晶界出現(xiàn)，原生β晶粒在熔煉澆注過程冷卻中轉(zhuǎn)變成長，在不同的地方出現(xiàn)編織狀，見圖1a。

熱等靜壓(HIP)溫度低于β相變轉(zhuǎn)變溫度(1000±20) ℃，其獲得的組織主要源于合金熔煉澆注冷卻凝固時鑄造組織的遺傳，但與鑄態(tài)組織不同的是：合金在α+β兩相區(qū)的長時保溫且高壓作用下，晶內(nèi)α相組織粗化，晶界α相弱化并保留，組織以魏氏組織、網(wǎng)籃狀組織為主，并有少量的塊狀α相分布其中。相組成主要是原生α相和α+β相的混合物，如圖1b所示。由于魏氏組織中α相和β之間保持嚴格的晶體學位相關(guān)系，從而其組織具有頑強的“遺傳性”[5]，通過常規(guī)熱處理和非淬火條件下的循環(huán)熱處理很難改善其組織結(jié)構(gòu)，一般認為不能通過熱處理對其進行強化，因此其供貨狀態(tài)通常為熱等靜壓狀態(tài)或者退火狀態(tài)[11]。

圖1 ZTA15合金鑄態(tài)組織和HIP組織Fig.1 Cast microstructure and HIP microstructure of ZTA15 alloy

2.3 循環(huán)熱處理組織

2.3.1 宏觀組織

圖2 ZTA15合金經(jīng)HIP和循環(huán)熱處理后的宏觀組織Fig.2 Macrostructure of ZTA15 alloy through HIP and multiple heat treatment

ZTA15合金經(jīng) HIP和循環(huán)熱處理后的宏觀組織見圖2。可知，HIP狀態(tài)下晶粒棱角分明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，晶粒度趨向圓潤；5次循環(huán)熱處理對宏觀組織沒有太大影響，顯示仍為清晰的粗晶。許多研究者[12—16]認為在不同溫度區(qū)間、不同冷卻條件下變形和熱處理，得到的組織差異很大，而 ZTA15合金由于熱等靜壓和循環(huán)熱處理溫度均低于β相變轉(zhuǎn)變溫度，兩種工藝的保溫溫度、保溫時間及冷卻速度基本相同，循環(huán)熱處理組織“遺傳”了熱等靜壓組織；盡管循環(huán)熱處理加熱和冷卻作用，使原始β晶粒的晶界α在溶解與析出過程中有所斷開，但因常規(guī)熱處理沒有或者很少有新晶核形成，所以晶界α呈現(xiàn)網(wǎng)狀或者斷續(xù)的鏈狀，原始β晶粒尺寸沒有多大改變。

2.3.2 顯微組織

ZTA15合金經(jīng) HIP和循環(huán)熱處理后的顯微組織見圖3?？芍?，第1次循環(huán)熱處理的合金組織與熱等靜壓狀態(tài)下存在明顯差異，主要因素是熱等靜壓狀態(tài)形成的區(qū)域合金成分差異，使α相、β相在比例上發(fā)生了較大的變化；另一方面，熱等靜壓儲存在合金中的變形能出現(xiàn)釋放，合金組織形貌也出現(xiàn)較大變化，熱等靜壓組織中的α條經(jīng)1次循環(huán)處理后趨向平直，見圖3a和3b。1次循環(huán)后，晶界內(nèi)較細的α條有些已經(jīng)斷開，晶界α也開始出現(xiàn)斷裂的跡象，而較粗的α條基本不變，見圖3b。隨循環(huán)次數(shù)的增多，絕大部分α條被碎斷，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶界α逐漸斷裂；隨著α相的不斷析出，相鄰的α條在不斷合并粗化，見圖3c—3f。經(jīng)5次循環(huán)熱處理的試樣幾乎全部變成短α片網(wǎng)籃狀組織形態(tài)。

圖3 ZTA15合金經(jīng)HIP和循環(huán)熱處理后的顯微組織Fig.3 Microstructure of ZTA15 alloy through HIP and multiple heat treatment

2.4 力學性能

ZTA15合金經(jīng)不同熱循環(huán)次數(shù)后的室溫和高溫400 ℃拉伸性能見圖4，其中0次表示熱等靜壓狀態(tài)。第1次循環(huán)熱處理，其室溫抗拉強度較HIP狀態(tài)有明顯下降，主要原因為熱等靜壓過程中的不穩(wěn)定組織、成分開始向穩(wěn)定方向發(fā)展。第2、3次熱處理后，其室溫抗拉強度達到峰值；第4次熱處理后，其室溫抗拉強度開始出現(xiàn)下降趨勢。隨著循環(huán)次數(shù)達到 5次時，合金室溫強度和塑性下降比較明顯，主要是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，β相向著α相的不斷微量轉(zhuǎn)化積累至α片層在長度方向相連接，從而對性能影響較大。這說明循環(huán)熱處理達到某次時，對合金性能影響是比較大的。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，高溫 400 ℃的抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率變化比較平緩，波動性較小，說明ZTA15合金在高溫400 ℃的強度和塑性比較穩(wěn)定。ZTA15合金試樣經(jīng)5次循環(huán)熱處理后，室溫和高溫 400 ℃力學性能均能穩(wěn)定滿足表 2指標要求。

圖4 ZTA15合金經(jīng)HIP和循環(huán)熱處理后的室溫和400 ℃拉伸性能Fig.4 Tensile properties at room temperature and 400 ℃ of ZTA15 through HIP and multiple heat treatment

3 討論

圖5 α相的溶解與長大Fig.5 Dissolution and growing up of α phase

α相的溶解與長大示意圖見圖5。關(guān)于ZTA15合金在α+β兩相區(qū)循環(huán)熱處理過程出現(xiàn)α條碎斷、粗化的現(xiàn)象，與張帆[5]、何軍利[11]等人對Ti-6Al-4V合金研究發(fā)現(xiàn)相一致，他們對該現(xiàn)象闡述了其形成的機制。該機制認為：在α+β兩相區(qū)內(nèi)，隨著溫度的升高，α相不斷溶解于β相中，β相逐漸增加；在降溫過程中，恰好相反。若α條較短，在高溫階段，溶解沿著α條的兩端進行，但由于溫度未超過β相變點，α相不可能完全溶解，在高溫下就會形成小點狀α（見圖5a）；在低溫階段，α相又會沿著高溫階段未溶解的小點狀α周圍析出，在這一過程中，α相的溶解與析出并不是完全可逆的，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，條狀α的長徑比逐漸減小（見圖5b）。若α條較長，在高溫階段，溶解首先沿著α條中間薄弱區(qū)域進行，使得室溫階段的條狀α相在高溫階段溶解成沿原α相排列的點狀α（見圖 5c）；在低溫階段，α相就會以高溫下殘留的α相為核心析出長大，當兩小段α相長大相接觸時，接觸面就會形成界面，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，原先長條狀的α相就會逐漸粗化（見圖5d）。

4 結(jié)論

ZTA15合金在α+β兩相區(qū)內(nèi)920 ℃循環(huán)熱處理過程中出現(xiàn)α條碎斷、合并粗化，經(jīng)5次循環(huán)熱處理后，典型的魏氏體組織基本轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃狀組織。

經(jīng)5次循環(huán)熱處理后，ZTA15合金室溫拉伸性能較熱等靜壓狀態(tài)略有下降，而高溫 400 ℃性能與熱等靜壓狀態(tài)基本持平。

經(jīng)熱等靜壓及5次循環(huán)熱處理的ZTA15合金具有良好的延展性，其力學性能穩(wěn)定，能夠達到如下指標要求：室溫抗拉強度≥885 MPa，屈服強度≥785MPa，伸長率≥5%，斷裂收縮率≥12%；高溫 400 ℃時，抗拉強度≥622 MPa，伸長率≥10%。

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