＊楊哲昊 孫麗 呂凱 林冠堅(jiān) 白亮

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 010051）

鈦及鈦合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有高比強(qiáng)、剛度、耐腐蝕、無(wú)磁、可焊接、生物相容性好、良好的抗疲勞和抗蠕變等綜合性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核工業(yè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-5]，被譽(yù)為“第三金屬”“戰(zhàn)略金屬”“海洋金屬”[6-7]。

Ti-5111（Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si）合金是20世紀(jì)80年代末期由美國(guó)TIMETAL公司與海軍水面作戰(zhàn)中心共同開(kāi)發(fā)的低成本近α鈦合金[8]，具有良好的斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕性能，優(yōu)于船用鈦合金48-OT3（Ti-4Al-0.005B），與Ti-6211（Ti-6Al-2V-1Nb-1Ta）相當(dāng)[9]，能滿足深潛器對(duì)材料屈服強(qiáng)度的要求（≥690MPa）。Ti-5111合金的沖擊韌性為T(mén)C4的3倍，兼具高延性（δ≥13%）、良好的焊接性、優(yōu)異的室溫抗蠕變性能等特點(diǎn)，將代替Ti-6Al-4V ELI合金廣泛應(yīng)用于艦船制造，尤其被用于制備結(jié)構(gòu)件和緊固件[10-12]。2002年Ti-5111合金首先在新型潛艇通信桅桿上投入使用，陸續(xù)已在30艘潛艇上應(yīng)用，之后又?jǐn)U大到美TBD轟炸機(jī)等結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用[11-13]。美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心用鎢極氣保焊制成厚度為25.4mm和51mm的Ti-5111焊件，對(duì)其在海洋環(huán)境中的使用性能進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)[14-15]。目前，TIMETAL公司已實(shí)現(xiàn)了Ti-5111合金板、棒、條及鑄、鍛件的規(guī)模生產(chǎn)[8]。

TIMETAL公司在Ti-5111合金中添加0.05% Pd提高了其耐縫隙腐蝕性[8]。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)呂凱教授為了提高Ti-5111合金的耐腐蝕性能，采用微弧氧化法在合金表面制備了含ZrO2的氧化膜，含ZrO2濃度為1.00g/L的氧化膜的阻抗值最大，當(dāng)ZrO2濃度為1.25g/L的腐蝕電位最高，腐蝕電流密度最小[16]。采用共生沉積工藝并通過(guò)高溫作用使W粉擴(kuò)散進(jìn)入表面微弧氧化層內(nèi)，可提高Ti-5111合金的耐磨性能[17]。

然而，關(guān)于Ti-5111合金在不同熱處理?xiàng)l件下的微觀組織演變規(guī)律的報(bào)道較少。本文以鑄態(tài)Ti-5111合金為研究對(duì)象，分析熱處理工藝對(duì)其微觀組織、相結(jié)構(gòu)、顯微硬度與耐磨性的影響規(guī)律，期望將該合金推廣應(yīng)用于煤化工、石油化工等領(lǐng)域。

1.試驗(yàn)及方法

采用表1的工藝對(duì)鑄態(tài)Ti-5111合金進(jìn)行熱處理，采用OM、XRD分析合金的微觀組織和相結(jié)構(gòu)，并測(cè)試合金的顯微硬度，每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，然后取平均值作為顯微硬度值。利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)（每次磨損5min，載荷20N，轉(zhuǎn)速200r/min，摩擦副為400#金相砂紙）。

2.結(jié)果與討論

(1)微觀組織及相結(jié)構(gòu)

Ti-5111合金熱處理后的微觀組織如圖1所示?？梢钥闯?，鑄態(tài)合金的晶粒較粗大、大小不一，由初生α相（多）和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪啵ㄉ伲┙M成圖1（a）。經(jīng)1#工藝處理后，晶粒明顯細(xì)化，且較均勻，β組織全部消失，α相含量顯著降低圖1（b）。經(jīng)過(guò)2#工藝處理后，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，析出了β相，α相在β相上呈條塊狀分布且大小不一，α相的體積分?jǐn)?shù)比β相大圖1（c）。經(jīng)過(guò)3#工藝處理后，晶粒繼續(xù)得到細(xì)化，組織為α和β相，且α相為主圖1（d）。

圖2 Ti-5111合金經(jīng)不同熱處理后的相結(jié)構(gòu)

綜合分析圖1可知：（1）熱處理溫度逐漸接近相變點(diǎn)（950℃）前，初生α相含量不斷減少，轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嗪恐饾u降低，在相變點(diǎn)以下10～30℃區(qū)間，初生α相含量在10%～30%之間。（2）熱處理溫度高于相變點(diǎn)后，溫度升高，再結(jié)晶現(xiàn)象顯著。（3）Ti-5111合金擁有兩相鈦合金的特點(diǎn)，可通過(guò)加熱手段調(diào)控初生α相含量。（4）熱處理溫度升高，晶粒逐漸由粗大且不均勻轉(zhuǎn)變成大小均勻且細(xì)小。這除了和熱處理溫度有關(guān)外，冷卻方式也產(chǎn)生顯著影響（冷卻速度越快，晶粒細(xì)化效果越顯著）。

Ti-5111合金熱處理后的相結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯?，鑄態(tài)合金含有α和β兩相，α相含量居多圖2（a）。經(jīng)1#工藝處理后，衍射角在38°～43°區(qū)間依然存在α相，且其強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，其它衍射角上的兩相相繼消失圖2（b）。經(jīng)2#工藝處理后，α相強(qiáng)度略有增強(qiáng)，衍射角在52°～55°區(qū)間有初生β相圖2（c）。經(jīng)3#工藝處理后，α和β相含量均顯著增加，但α相仍占比高。

(2)顯微硬度

測(cè)試結(jié)果表明，隨著熱處理溫度逐漸升高，合金的硬度值先減小后增大。3#工藝處理后的合金硬度最高（HV462.74），1#工藝處理后的合金硬度（HV297.76）較鑄態(tài)合金硬度（HV334.68）低，這與合金的微觀組織密切相關(guān)。硬度值的大小也是合金強(qiáng)度的體現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)性能需求選擇合適的熱處理工藝。

(3)耐磨性

不同工藝處理后的合金磨損質(zhì)量損失如圖3所示。由圖可見(jiàn)，熱處理后，合金的耐磨性均得到提升，其質(zhì)量損失均減小，其中，經(jīng)1#工藝處理的合金的耐磨性最高。同一個(gè)試樣，磨損質(zhì)量損失均呈前兩次較多，第三次較少。這是由于前兩次磨損時(shí)，試樣處于磨損咬合階段，磨損量較大；第三次磨損時(shí)，摩擦副與試樣接觸良好，磨損量下降。

圖3 Ti-5111合金經(jīng)不同熱處理后的磨損質(zhì)量損失

3.結(jié)論

鑄態(tài)Ti-5111合金的晶粒較粗大，由平直初生α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M成；隨著熱處理溫度的升高，晶粒逐漸細(xì)化。

經(jīng)3#工藝處理后，合金的顯微硬度最高，達(dá)到HV462.74；經(jīng)1#工藝處理后，合金的耐磨性最高。