鍛件組織不均勻性對新型近β鈦合金組織與力學(xué)性能的影響

陳 強(qiáng)，王慶娟，王鼎春，劉繼雄，李 強(qiáng)，周 曉，梁 博

?

鍛件組織不均勻性對新型近鈦合金組織與力學(xué)性能的影響

陳 強(qiáng)1，王慶娟1，王鼎春2，劉繼雄2，李 強(qiáng)1，周 曉1，梁 博1

(1. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，西安 710055； 2. 寶鈦集團(tuán)有限公司研究院，寶雞 721014)

研究一種新型鈦合金在兩相區(qū)鍛造后，邊部、1/2、心部組織的不均勻性對后續(xù)熱處理組織性能的影響。結(jié)果表明：合金經(jīng)750 ℃固溶后，3個(gè)位置組織中的初生相分布不同，經(jīng)800 ℃固溶后，相發(fā)生不同程度的再結(jié)晶。合金經(jīng)750 ℃+(510 ℃，8 h)固溶時(shí)效后，邊部和1/2處的組織出現(xiàn)“斑”現(xiàn)象；合金經(jīng)800 ℃+ 510 ℃，8 h固溶時(shí)效后，1/2處和心部次生相的析出存在明顯的不均勻性。時(shí)效過程中組織的不均勻性導(dǎo)致合金3個(gè)位置強(qiáng)度和斷裂韌性各不相同。在(750 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效條件下，合金1/2處的綜合性能實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)高韌的良好匹配。

鈦合金；兩相區(qū)鍛造；不均勻性；析出相；高強(qiáng)高韌

鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗疲勞性好、抗蝕性能優(yōu)異、耐高溫、無磁無毒、彈性模量低等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、海洋工程、生物醫(yī)用等領(lǐng)域，享有“太空金屬”和“海洋金屬”的美譽(yù)[1?5]。鈦合金最早的大規(guī)模應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展成為航空航天飛行器的主要結(jié)構(gòu)材料之一，隨著新一代航空航天飛行器向著高速?大型?結(jié)構(gòu)復(fù)雜?低燃油的方向發(fā)展，在設(shè)計(jì)中要求使用綜合性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料。型鈦合金易鍛造，冷熱加工性能良好，與其他兩類鈦合金相比具有最高的比強(qiáng)度，在航空航天用大型鍛件有著廣闊的應(yīng)用前景[6?8]。在實(shí)際的生產(chǎn)使用過程中，鈦合金仍存在著許多問題，一方面，合金中含有大量的合金元素，在熔煉過程中，易出現(xiàn)元素的偏析，尤其是Fe元素的偏析形成的“斑”，這種“斑”還可能在鍛造和熱處理過程中產(chǎn)生，嚴(yán)重影響著合金組織性能[9]；另一方面，高價(jià)的Mo、V等元素使得合金的生產(chǎn)成本增加，高濃度的合金元素也給合金的機(jī)加工帶來了一定的困難。盡管鈦合金的強(qiáng)度很高，但其塑性較低，斷裂韌性值普遍低于+型鈦合金[10?11]，合金的強(qiáng)韌性匹配較差，許多合金只能滿足超高強(qiáng)鈦合金[12]的標(biāo)準(zhǔn)而無法達(dá)到高強(qiáng)高韌鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)[13]。

鈦合金的組織性能與加工工藝之間有著密切的聯(lián)系，通過不同的熱機(jī)械處理能顯著提高合金的性 能[14?15]。王濤等[16]對TG6合金熱模鍛件的研究發(fā)現(xiàn)，形變過程中→相變和微區(qū)變形的不均勻會(huì)導(dǎo)致合金鍛件組織的不均勻性，且這種組織的不均勻性不能通過熱處理制度被徹底消除。費(fèi)躍等[17]研究了不同鍛造工藝對Ti-Al-Mo-Cr-Zr系鈦合金組織和性能的影響，結(jié)果表明合金經(jīng)兩相區(qū)鍛造后獲得雙態(tài)組織，合金的強(qiáng)度和塑性較高，斷裂韌性較低；通過準(zhǔn)鍛造可獲得網(wǎng)籃組織，合金的強(qiáng)度和塑性較低，斷裂韌性較高。XU等[18]發(fā)現(xiàn)，Beta C合金在動(dòng)態(tài)結(jié)晶區(qū)變形后，可通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に噷M織進(jìn)行優(yōu)化。李東等[19]對Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr系合金的研究表明，合金在兩相區(qū)鍛造后，經(jīng)(790 ℃，1 h，AC)+(550 ℃，2 h，AC)固溶時(shí)效處理，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為1273 MPa和11.0%，斷裂韌性達(dá)83.8 MPa?m1/2，具有良好的強(qiáng)韌性匹配。本文作者研究了Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Nb-Fe系新型鈦合金180 mm鍛棒的組織性能，分析討論了熱處理工藝對180 mm鍛棒邊部、1/2和心部組織性能的影響，為該合金在航空航天大型鍛件的生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為自主研發(fā)的Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Nb-Fe系新型鈦合金[20]，采用真空自耗電弧爐進(jìn)行3次熔煉獲得50 kg的鑄錠，其頭部和底部的化學(xué)成分見表1。由穩(wěn)定系數(shù)K和鉬當(dāng)量計(jì)算公式[21]，確定該合金的K=1.33，[Mo]eq=14.2，為近型鈦合金。通過計(jì)算法確定該合金的相變點(diǎn)為780 ℃。350 mm的原始鑄錠在兩相區(qū)共進(jìn)行7火次鍛造，始鍛溫度1150 ℃，終鍛溫度740 ℃，每火次均進(jìn)行兩墩兩撥，鍛后空冷，最終獲得180 mm的鍛棒。

表1 Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Nb-Fe系合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從實(shí)驗(yàn)用鍛棒的邊部、1/2、心部分別切取金相、室溫拉伸、平面應(yīng)變斷裂韌度試樣，并進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，具體的熱處理制度圖1所示。金相試樣經(jīng)機(jī)械研磨、拋光、腐蝕后，分別在OLYMPUS PMG3倒置式顯微鏡和JSM?6390掃描電鏡上進(jìn)行觀察分析。固溶態(tài)試樣的腐蝕劑溶液配比為(HF):(HNO3):(H2O)=2:1:7，時(shí)效態(tài)試樣的腐蝕劑溶液配比為(HF):(HNO3):(H2O)=1:3:6。利用401MVD顯微硬度測試儀對試樣進(jìn)行顯微硬度測試。按照GB/T228?2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在INSTRON1185萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能的測試，選用標(biāo)距25 mm，直徑5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。按照GB/T4161?2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度IC試驗(yàn)方法》在INSTRON1185萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)，選用厚度為12.5 mm的縮比樣品。

圖1 合金的熱處理制度

2 結(jié)果與分析

2.1 鍛態(tài)顯微組織及硬度分布

圖2所示為合金經(jīng)兩相區(qū)鍛造空冷后的顯微組織及硬度分布。合金中3個(gè)不同位置的組織均為初生相(p)和相。其中，邊部和心部的p呈等軸狀，均勻分布在基體上；1/2處的p呈等軸狀和長條狀，分布不均。原始鑄錠經(jīng)兩相區(qū)多火次、大變形量鍛造后，晶粒已充分破碎，組織中已看不見晶界。由圖2(d)可知，合金經(jīng)兩相區(qū)鍛造后邊部和心部的硬度高于1/2處的硬度，但差值不是很大，這可能與合金組織中初生相的形態(tài)不均有關(guān)。

2.2 熱處理后合金的顯微組織及硬度分布

圖3所示為合金經(jīng)(750 ℃、0.5 h、AC)固溶處理后的顯微組織。由于合金的加熱溫度低于相變點(diǎn)，組織中無相變行為發(fā)生，合金的組織為初生相和相。對比合金的鍛態(tài)組織(見圖2)，合金經(jīng)750 ℃固溶處理后的組織更均勻，初生相的體積分?jǐn)?shù)也略有降低。合金邊部和1/2處的初生相呈等軸狀，心部的初生相呈等軸狀和長條狀。

圖4所示為合金經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)固溶處理后的顯微組織。當(dāng)固溶溫度高于相變溫度時(shí)，合金發(fā)生了→轉(zhuǎn)變，組織由單一的相組成。合金邊部組織中的晶粒發(fā)生了完全再結(jié)晶，生成完整平直的晶界，晶粒的平均尺寸約為165 μm；1/2處組織則表現(xiàn)為部分再結(jié)晶現(xiàn)象：發(fā)生完全再結(jié)晶的晶粒具有完整的晶界，平均晶粒尺寸為100 μm，未發(fā)生再結(jié)晶的相仍舊為變形組織，無明顯的晶界；心部組織中只有少數(shù)的晶粒發(fā)生了再結(jié)晶。合金3個(gè)位置的晶粒發(fā)生了不同的再結(jié)晶現(xiàn)象，這可能與合金在鍛造過程中表面至心部加熱的不均勻而導(dǎo)致原始組織的不同有關(guān)。

圖5所示為合金經(jīng)(750 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效處理后的顯微組織。大量細(xì)小的次生相密集地析出于基體上，通過光學(xué)顯微鏡已無法辨別析出相的尺寸和形貌。圖5(a)中出現(xiàn)了大面積的白色析出析出區(qū)域，ZENG等[22]的研究表明，這種不均勻的白色區(qū)域?yàn)椤鞍摺?，往往在合金的時(shí)效過程中容易出現(xiàn)，主要由合金元素的偏聚造成，且這種“斑”不利于合金最終的使用性能。合金1/2和心部組織中“斑”現(xiàn)象不明顯，次生相的析出較為均勻。

圖2 合金經(jīng)兩相區(qū)鍛造后的顯微組織及硬度分布

圖3 合金經(jīng)750 ℃固溶處理0.5 h后的顯微組織

圖4 合金經(jīng)800 ℃固溶處理0.5 h后的顯微組織

圖5 合金經(jīng)750 ℃固溶+(510 ℃，8 h)時(shí)效處理后的顯微組織

圖6所示為合金經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效處理后的顯微組織。相比于圖5，合金在800 ℃固溶后經(jīng)時(shí)效處理，次生相的體積分?jǐn)?shù)明顯增大，這是因?yàn)楹辖鸾?jīng)750 ℃固溶處理后，組織中含有的初生相在一定程度上制約了次生相的析出，而合金經(jīng)800 ℃固溶處理后，組織中無初生相，次生相得到充分析出[23]。從次生相的析出情況來看，合金邊部組織中次生相的析出較均勻，1/2和心部的次生相析出不均勻，這種組織的不均勻性可能與合金在固處理后晶粒的再結(jié)晶程度有關(guān)。由圖4可知，邊部組織的晶粒發(fā)生了完全再結(jié)晶，晶粒內(nèi)部的缺陷較少，次生相可以均勻形核和生長，形成均勻的析出特性；在1/2和心部的組織中，未再結(jié)晶的相為高缺陷密度的變形基體，使得次生相容易在缺陷較多的地方形核[24]，最終形成了不均勻的析出特性。

合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后的SEM像如圖7所示。從圖7(a)可看出，合金經(jīng)750 ℃固溶+(510 ℃，8 h)時(shí)效處理后組織中含有少量的初生相呈等軸狀分布在晶界處，平均尺寸為2 μm，體積分?jǐn)?shù)約為7%；針狀次生相以相互平行或呈一定角度的形式密集地在基體上析出，平均尺寸為1 μm。合金經(jīng)800 ℃固 溶+(510 ℃，8 h)時(shí)效處理后組織中無初生相(見圖7(b))，次生相的析出表現(xiàn)出不均勻性：晶界附近的次生相尺寸較為細(xì)小，平均尺寸為0.4 μm，相互縱橫交錯(cuò)；晶內(nèi)的次生相尺寸較大，平均尺寸為1 μm，約呈60°夾角相互交錯(cuò)。

圖8所示為合金在不同熱處理制度下的硬度分布情況。合金經(jīng)固溶處理后，組織中未有次生相析出，軟相的初生相無法起到析出強(qiáng)化的效果；合金經(jīng)固溶時(shí)效處理后，組織中大量細(xì)小的次生相具有顯著的強(qiáng)化效果，因此，固溶態(tài)合金的顯微硬度值約為270HV，要明顯低于時(shí)效態(tài)合金400HV左右的顯微硬度值。圖8(a)表明，合金經(jīng)750 ℃固溶后的顯微硬度要高于800 ℃固溶處理后的顯微硬度，這是因?yàn)楹辖鹪?50 ℃固溶后，組織中殘留的部分初生相能對晶界起到釘扎作用，在一定程度上制約晶粒的長大，阻礙位錯(cuò)的滑移[25]，合金經(jīng)800 ℃固溶后，由于組織中無初生相，晶粒的長大不受制約，位錯(cuò)容易在晶界處開動(dòng)。在相同的時(shí)效條件下，合金經(jīng)750 ℃固溶后的顯微硬度低于800 ℃固溶處理后的顯微硬度(見圖8(b))，這主要于次生相的析出特性有關(guān)。由圖7可知，合金在750 ℃固溶后經(jīng)時(shí)效處理，組織中含有少量的初生相，相比于次生相，這種軟相的初生相對合金的顯微硬度貢獻(xiàn)較小。另一方面，在相同的時(shí)效條件下，合金經(jīng)800 ℃固溶+時(shí)效處理后次生相的體積分?jǐn)?shù)更多，尺寸也更小，這種析出特性有利于提高合金的顯微硬度。

圖6 合金經(jīng)800 ℃固溶+(510 ℃，8 h)時(shí)效處理后的顯微組織

圖7 合金經(jīng)不同固溶溫度+(510 ℃，8 h)時(shí)效處理后1/2R處的SEM像

圖8 合金在不同熱處理制度下的硬度分布

2.3 力學(xué)性能

合金經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能如表2所列。在同一種熱處理參數(shù)下，合金中3個(gè)位置的力學(xué)性能不同，顯然這與組織的不均勻性有關(guān)。合金經(jīng)(750 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)處理后，心部的抗拉強(qiáng)度最大，為1389 MPa，1/2處的次之，邊部的抗拉強(qiáng)度(m)僅為1294 MPa，屈服強(qiáng)度(p0.2)與抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律相一致，伸長率()和斷裂韌性的變化情況則與抗拉強(qiáng)度的相反。由圖5可知，心部組織中次生相的含量最多，析出最均勻，1/2和邊部的析出較為不均勻，存在“斑”現(xiàn)象，次生相的含量也少于心部次生相的含量，因此心部的強(qiáng)度最大。合金經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)處理后強(qiáng)度的變化情況與上述情況略有區(qū)別，心部的抗拉強(qiáng)度最小，為1402 MPa，1/2處的次之，邊部的抗拉強(qiáng)度最大，為1458 MPa，這是因?yàn)樵谠摕崽幚項(xiàng)l件下邊部組織中次生相的分布較均勻，體積分?jǐn)?shù)較大，1/2和心部組織的析出存在不均勻性(見圖6)。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律保持一致，伸長率和斷面收縮率的變化趨勢與抗拉強(qiáng)度的相反，值得注意的是，斷裂韌性值的變化情況與抗拉強(qiáng)度的相似。

表2 合金經(jīng)不同熱處理后的力學(xué)性能

mis ultimate tensile strength;p0.2is yield strength;is elongation;is reduction in area;ICis fracture toughness.

從表2中可知，合金經(jīng)(750 ℃，0.5 h，AC)+(510℃，8 h，AC)處理后3個(gè)位置的平均抗拉強(qiáng)度為1340 MPa，經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)處理后3個(gè)位置的平均抗拉強(qiáng)度為1445 MPa，造成兩者大小不等的原因主要與次生相的析出特性有關(guān)：前者析出的次生相的體積分?jǐn)?shù)小，尺寸大，后者析出的次生相體積分?jǐn)?shù)大，尺寸小(見圖7)，前者的時(shí)效強(qiáng)化效果小于后者的。合金經(jīng)750 ℃+(510 ℃，8 h)的組織中還存在少量的初生相，其強(qiáng)化效果要遠(yuǎn)低于次生相的。合金經(jīng)750 ℃+(510 ℃，8 h)處理后3個(gè)位置的平均斷裂韌性值為59.1 MPa?m1/2，高于800℃+(510 ℃，8 h)條件下的44.5 MPa?m1/2。一方面，初生相增大了裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸，降低了裂紋擴(kuò)展速率。另一方面，長寬比較大的針狀次生相更容易使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加裂紋路徑的曲折性，提高合金的斷裂韌性[26]。因此，在相同的時(shí)效條件下，合金經(jīng)800 ℃固溶+時(shí)效處理后的強(qiáng)度更大，750 ℃固溶+時(shí)效處理后的斷裂韌性更高。

2.4 斷口形貌

通常，鈦合金合金的強(qiáng)度和斷裂韌性呈反比關(guān)系，針對合金在(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效條件下出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象，需進(jìn)一步對該狀態(tài)下的斷口組織進(jìn)行觀察分析。合金經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效后，利用image pro plus 6.0軟件處理得到合金的裂紋擴(kuò)展路徑如圖9所示。邊部的裂紋擴(kuò)展路徑雖然沒有明顯的上下起伏，但裂紋路徑具有明顯的曲折性；1/2處的裂紋擴(kuò)展路徑有明顯的上下起伏，但相比于圖9(b)，裂紋路徑的曲折程度不大；心部的裂紋擴(kuò)展路徑?jīng)]有明顯的上下起伏，裂紋路徑也最為平坦。裂紋擴(kuò)展路徑的曲折性從一定程度上反映了合金斷裂韌性值的大小，裂紋擴(kuò)展路徑越曲折，裂紋偏轉(zhuǎn)的越厲害，合金在斷裂過程中吸收的能量越多，斷裂韌性值越大[27]。因此，合金邊部的斷裂韌性值最大，1/2處的次之，心部的斷裂韌性值最小，與表2中的結(jié)果相一致。

圖10所示為合金經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效后的斷口組織。對比圖10(a)、(d)和(g)可發(fā)現(xiàn)，邊部斷口的剪切唇面積最小，心部斷口的剪切唇面積最大。合金3個(gè)位置的低倍斷口掃描組織(見圖10(b)、(e)和(h))均表現(xiàn)為被拉長的韌窩，在長條狀的韌窩中間夾雜著尺寸較小的等軸狀韌窩。3個(gè)位置的韌窩的數(shù)量、大小、深淺程度沒有明顯的區(qū)別，但通過高倍斷口掃描組織，發(fā)現(xiàn)3個(gè)位置斷口組織之間還是有一定的差別。圖10(c)中的韌窩尺寸較大，斷口表面還存在尺寸較小的次生裂紋；圖10(f)中撕裂脊的高度明顯大于心部組織中的撕裂脊。由于邊部斷口組織中的韌窩尺寸略大于1/2處和心部組織中的韌窩尺寸，且邊部組織中還存在次生裂紋，這使得裂紋在擴(kuò)展過程中需要吸收更多的能量才能使材料發(fā)生斷裂，因此合金邊部的斷裂韌性值高于1/2處和心部的斷裂韌性值，這于表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

合金在(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)條件下的斷口組織證明合金的斷裂韌性呈現(xiàn)邊部高?心部低的趨勢，而合金的強(qiáng)度出現(xiàn)異?，F(xiàn)象可能與合金3個(gè)位置所取的拉伸試樣截面處次生相的分布不均勻有關(guān)。另外由表2中的數(shù)據(jù)可知，合金在(750 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC) 固溶時(shí)效條件下，3個(gè)位置之間的強(qiáng)度或斷裂韌性的差值較大，在(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC) 固溶時(shí)效條件下，3個(gè)位置之間的強(qiáng)度或斷裂韌性的差值較小，結(jié)合圖5和圖6，說明合金在相變點(diǎn)上固溶后再經(jīng)時(shí)效處理，組織的不均勻程度降低，即合金在相變點(diǎn)下固溶后再經(jīng)時(shí)效處理對組織性能的不均勻性產(chǎn)生的影響更大。

圖9 利用image pro plus 6.0處理后得到合金裂紋擴(kuò)展路徑圖

圖10 經(jīng)(800 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效后斷裂韌性試樣的斷口組織

3 結(jié)論

1) 直徑180 mm鍛棒邊部和心部組織的初生相呈等軸狀，1/2處的初生相以等軸和長條狀兩種形態(tài)分布在基體上，鍛態(tài)原始組織存在不均勻性。

2) 合金經(jīng)750 ℃固溶后，3個(gè)位置的初生相體積分?jǐn)?shù)減少，分布不均勻；經(jīng)800 ℃固溶后組織為單一的相，且相發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶。合金經(jīng)750 ℃固溶+(510 ℃，8 h)時(shí)效后，大量的針狀次生相在基體上析出，少量的初生相殘留在晶界處，析出相的分布不均勻，邊部和1/2組織中出現(xiàn)“斑”現(xiàn)象；經(jīng)800 ℃固溶+(510 ℃，8 h)時(shí)效后，1/2和心部組織中次生相的析出不均勻，晶界附近的次生相尺寸更小，分布更密集，晶內(nèi)的次生相尺寸較大，互成60°夾角相互交錯(cuò)。

3) 合金經(jīng)(750 ℃，0.5 h，AC)+(510 ℃，8 h，AC)固溶時(shí)效后，強(qiáng)度較低，斷裂韌性較高，1/2處的力學(xué)性能為m=1337 MPa，=8.5%，IC=59.8 MPa?m1/2，達(dá)到高強(qiáng)高韌鈦合金的標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 金和喜, 魏克湘, 李建明, 周建宇, 彭文靜. 航空用鈦合金研究進(jìn)展[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(2): 280?292. JIN He-xi, WEI Ke-xiang, LI Jian-ming, ZHOU Jian-yu, PENG Wen-jing. Research development of titanium alloy in aerospace industry[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(2): 280?292.

[2] SCHWAB H, PALM F, K HN U, ECKERT J. Microstructure and mechanical properties of the near-beta titanium alloy Ti-5553 processed by selective laser melting[J]. Materials and Design, 2016, 105: 75?80.

[3] ELIAS C N, FERNANDES D J, RESENDE C R, ROESTEL J. Mechanical properties, surface morphology and stability of a modified commercially pure high strength titanium alloy for dental implants[J]. Dental Materials, 2015, 31(2): e1?e13.

[4] MOCHIZUKI H, YOKOTA M, HATTORI S. Effects of materials and solution temperatures on cavitation erosion of pure titanium and titanium alloy in seawater[J]. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers A, 2007, 262(5/6): 522?528.

[5] 劉奇先, 劉 楊, 高 凱. 鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù), 2011(4): 45?48, 55.LIU Qi-xian, LIU Yang, GAO Kai. Research progress and application of titanium alloys[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2011(4): 45?48, 55.

[6] 曹春曉. 航空用鈦合金的發(fā)展概況[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2005(4): 3?6. CAO Chun-xiao. General development situation of titanium alloys for aviation[J]. Aeronautical Science and Technology, 2005(4): 3?6.

[7] 黃張洪, 曲恒磊, 鄧 超, 楊建朝. 航空用鈦及鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2011, 25(1): 102?107. HUANG Zhang-hong, QU Heng-lei, DENG Chao, YANG Jian-chao. Development and application of aerial titanium and its alloys[J]. Materials Review, 2011, 25(1): 102?107.

[8] 趙丹丹. 鈦合金在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 鑄造, 2014, 63(11): 1114?1117. ZHAO Dan-dan. Development and application of titanium alloys in the aviation[J]. Foundry, 2014, 63(11): 1114?1117.

[9] 呂逸帆, 孟祥軍, 李世凱. TB6合金斑研究概述[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 37(增刊3): 544?547. Lü Yi-fan, MENG Xiang-jun, LI Shi-kai. An overview offleck in TB6 alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(S3): 544?547.

[10] 曲恒磊, 周 廉, 周義剛, 趙永慶, 曾衛(wèi)東, 馮 亮, 李 輝, 陳 軍, 張穎楠, 郭紅超. 高強(qiáng)韌鈦合金評述[J]. 稀有金屬快報(bào), 2004, 23(10): 5?9. QU Heng-lei, ZHOU Lian, ZHOU Yi-gang, ZHAO Yong-qing, ZENG Dong-wei, FENG Liang, LI Hui, CHEN Jun, ZHANG Ying-nan, GUO Hong-chao. Review of high-strength and high-toughness titanium alloys[J]. Rare Metals Letters, 2004, 23(10): 5?9.

[11] PETERS J O, L TJERING G. Comparison of the fatigue and fracture of+andtitanium alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2001, 32(11): 2805?2818.

[12] 商國強(qiáng), 朱知壽, 常 輝, 王新南, 寇宏超, 李金山. 超高強(qiáng)度鈦合金研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬, 2011, 35(2): 286?291. SHANG Guo-qiang, ZHU Zhi-shou, CHANG Hui, WANG Xin-nan, KOU Hong-chao, LI Jing-shan. Development of ultra-high strength titanium alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2011, 35(2): 286?291.

[13] 楊冬雨, 付艷艷, 惠松驍, 葉文君, 于 洋, 梁恩泉. 高強(qiáng)高韌鈦合金研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 稀有金屬, 2011, 35(4): 575?580.YANG Dong-yu, FU Yan-yan, HUI Song-xiao, YE Wen-jun,YU Yang, LIANG En-quan. Research and application of high strength and high toughness titanium alloys[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2011, 35(4): 575?580.

[14] 雷錦文, 曾衛(wèi)東, 吳 歡, 杜予暄, 唐曉東, 庾高峰, 周義剛, 張 奕. 熱機(jī)械處理對Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金組織和性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(S1): s602?s605. LEI Jin-wen, ZENG Wei-dong, WU Huan, DU Yu-xuan, TANG Xiao-dong, YU Gao-feng, ZHOU Yi-gang, ZHANG Yi. Effects of mechanical heat-treatment on microstructure and properties of Ti-10V-2Fe-3Al alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): s602?s605.

[15] ZAFARI A, DING Y, CUI J, XIA K. Achieving fine beta grain structure in a metastable beta titanium alloy through multiple forging-annealing cycles[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2016, 47(7): 3633?3648.

[16] 王 濤, 郭鴻鎮(zhèn), 王彥偉, 姚澤坤. 熱處理對TG6合金熱模鍛件組織不均勻性的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(S1): s593?s597.WANG Tao, GUO Hong-zhen, WANG Yan-wei, YAO Ze-kun. Effect of heat treatment on microstructural inhomogeneity of TG6 alloy hot die forgings[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(S1): s593?s597.

[17] 費(fèi) 躍, 朱知壽, 王新南, 李 軍, 商國強(qiáng), 祝力偉. 鍛造工藝對新型低成本鈦合金組織和性能影響[J]. 稀有金屬, 2013, 37(2): 186?191. FEI Yue，ZHU Zhi-shou, WANG Xin-nan, LI Jun, SHANG Guo-qiang, ZHU Li-wei. Influence of forging process on microstructure and mechanical properties of a new low-cost titanium alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2013, 37(2): 186?191.

[18] XU Xin, DONG Li-min, BA Hong-bo, ZHANG Zhi-qiang, YANG Rui. Hot deformation behavior and microstructural evolution of beta C titanium alloy inphase field[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2016, 26(11): 2874?2882.

[19] LI Dong, HUI Song-xiao, YE Wen-jun, LI Cheng-lin. Microstructure and mechanical properties of a new high-strength and high-toughness titanium alloy[J]. Rare Metals, 2016: 1?7.

[20] 王慶娟, 高 頎, 王快社, 王鼎春, 李獻(xiàn)民, 丁長勤, 楊 奇. 一種多元合金復(fù)合強(qiáng)化高強(qiáng)鈦合金及其制備方法: 中國, ZL201310040063.5[P]. 2013?05?22. WANG Qing-juan, GAO Qi, WANG Kuai-she, WANG Ding-chun, LI Xian-min, DING Chang-qin, YANG Qi. Multi-component alloy composite reinforced high-strength titanium alloy and preparation method thereof: China, ZL201310040063.5[P]. 2013?05?22.

[21] 毛小南, 張鵬省, 于蘭蘭, 袁少?zèng)_. BT22合金的成分設(shè)計(jì)和淬透性的關(guān)系研究[J]. 稀有金屬快報(bào), 2006, 25(6): 21?26. MAO Xiao-nan, ZHANG Peng-sheng, YU Lan-lan, YUAN Shao-chong. Relationship study between the component design and quenching degree for BT22 alloy[J]. Rare Metals Letters, 2006, 25(6): 21?26.

[22] ZENG W D, ZHOU Y G. Effect of beta flecks on mechanical properties of Ti-10V-2Fe-3Al alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 1999, 260(1/2): 203?211.

[23] LI Hui-min, LI Miao-quan, LUO Jiao, WANG Ke. Microstructure and mechanical properties of heat-treated Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(9): 2893?2900.

[24] 張平輝, 李成林, 惠松驍, 王韋琪, 羊玉蘭. 固溶處理對Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al合金組織與性能的影響[J]. 稀有金屬, 2011, 35(5): 639?643. ZHANG Ping-hui, LI Cheng-lin, HUI Song-xiao, WANG Wei-qi, YANG Yu-lan. Effect of solution treatment on microstructure and tensile properties of Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2011, 35(5): 639?643.

[25] WANG Zhen-guo, CAI Hai-jiao, HUI Song-xiao. Microstructure and mechanical properties of a novel Ti-Al-Cr-Fe titanium alloy after solution treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 640: 253?259.

[26] 鄒麗娜. 高強(qiáng)高韌Ti-Al-Fe-V-(Mo,Cr)系合金顯微組織與力學(xué)性能研究[D]. 北京: 北京有色金屬研究總院, 2014. ZHOU Li-na. Study on the microstructure and mechanical properties of Ti-Al-Fe-V-(Mo,Cr) system alloys[D]. Beijing: General Research Institute for Nonferrous Metals, 2014.

[27] SHI Xiao-hui, ZENG Wei-dong, SHI Chun-ling, WANG Hao-jun, JIA Zhi-qiang. The fracture toughness and its prediction model for Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe titanium alloy with basket-weave microstructure[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 632: 748?755.

Effect of microstructure inhomogeneity of forgings on microstructure and mechanical properties of new neartitanium alloy

CHEN Qiang1, WANG Qing-juan1, WANG Ding-chun2, LIU Ji-xiong2, LI Qiang1, ZHOU Xiao1, LIANG Bo1

(1. School of Metallurgical Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 2. Institute of Baoji Titanium Industry Group Co., Ltd., Baoji 721014, China)

The influence of inhomogeneity of original microstructures including edge, 1/2and core of a newtitanium alloy via+forging process on microstructures and mechanical properties following heat treatments were investigated. The results show that the distribution of primaryphase in three locations was nonuniform after the alloy solution-treated at 750 ℃, and at 800 ℃, different degree of recrystallization occurred withinphase. The alloy solution-treated at 750 ℃ followed by aging at 510 ℃ for 8 h, the microstructure with beta fleck happened in edge and 1/2. Under the same aging condition, when the solution treatment was taken at 800 ℃, the secondaryphase with obviously uneven distribution precipitates in 1/2and core. This inhomogeneity of microstructures during aging treatments results in different mechanical properties both of strength and fracture toughness in three locations. The alloys treated at (750 ℃, 0.5 h, AC)+(510 ℃, 8 h, AC) acquires good strength-toughness match, and high strength and high toughness of alloy at the location of 1/2reaches the well match of high strength and high toughness.

titanium alloy; forged in two-phase region; inhomogeneity; precipitated phase; high strength and high toughness

(編輯 龍懷中)

Project(2016GY-207) supported by the Key Science and Technology Program of Shaanxi Province, China; Project(14JF013) supported by Service Place Special Plan Project Funded by the Shaanxi Province Education Department, China

2016-07-15;

2017-04-20

WANG Qing-juan; Tel: +86-13992855295; E-mail: jiandawqj@163.com

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(2016GY-207)；陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(14JF013)

2016-07-15；

2017-04-20

王慶娟，教授，博士；電話：13992855295；E-mail: jiandawqj@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.01.11

1004-0609(2018)-01-0087-10

TG146.2

A