摘要：随着科技进步和国防工业的迅速发展，人们对金属材料的需求也日益增加，因此，开发和应用高性能的合金及其复合材料是非常必要的。钛和钛合金具有高强度、低密度和良好的耐腐蚀性能；具有良好的生物相容性，在航空航天，石油化工，制药，盐，冶金，汽车等领域；造船、核电、医疗等领域，被称为“万能”的金属.中国钛业50年来的发展，无论是技术上还是生产上，都有了很大的发展，各科研院所、高等院校与制造单位广泛合作，对钛合金的应用进行了深入的研究。但由于其塑性较差、韧性较差，在实际应用中，其疲劳寿命较短；因此，对钛合金的综合性能要求更高、更严格。通过对工艺参数和工艺参数的优化，可以提高钛合金的综合性能。
关键词：热处理；Ti-6Al-4V；钛合金力学；性能影响
通过对Ti-6A1-4V合金的固熔化工艺(960℃x1h)，通过不同的时效工艺，考察了Ti-6A1-4V合金的综合机械性能，并通过金相显微镜、SEM等手段对Ti-6A1-4V合金的微观组织、断口形貌与机械性能的相关性进行了研究。 1试验的材料和方法
1.1试验资料
试验材料是一种6mm的热轧态钛合金管材，其主要成份（重量百分比）为：Fe<0.30C<0.10N<0.05;H<0.015.0>0.20.5.5~68V；
1.2试验方法和装置
在MTS试验机上对被加工成条形地拉伸试样进行了拉伸试验，其拉伸速率为0.1毫米/分钟，最大负载2000kN，引伸仪标距50mm，拉伸样品的总长度184mm，宽度20mm，过渡半径12mm，两端夹紧端长50mm，沿着轧制方向取样。试样按照表1中的热处理程序在SX-4-13箱电阻炉中进行处理，采用奥林巴斯PMG3金相显微镜观察样品的微观结构，采用Kroll试剂，采用FEIOuanta450环境扫描电子显微镜（ESEM）观察并分析了钛合金材料的断裂形态[1]。 表1拉伸试样的热处理工艺及力学性能
热处理工艺 | σ0.2/MPa | σb/MPa | δ（%） | Wt/J | E/GPa |
热轧态 | 700 | 790 | 12.80 | 27.60 | 57.9 |
400℃×6h | 850 | 930 | 7.33 | 19.86 | 82.1 |
450℃×5h | 820 | 950 | 8.26 | 23.12 | 96.1干电池手机 |
450℃×8h | 910 | 止动环 980 | 9.49 | 23.55 | 97.4 |
煤气化技术550℃×4h | 980 | 1010 | unmsg4.72 | 抓鸡工具14.20 | 95.0 |
550℃×6h | 890 | 1100 | 12.00 | 30.62 | 99.2 |
600℃×7h | 850 | 1000 | 10.22 | 蓄电池防盗28.07 | 87.3 |
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2试验的结论和探讨
2.1钛合金热处理后的机械性能变化
根据已有的试验结果，选用960℃x1h的固溶法，并在不同的条件下进行时效热处理。表1为不同热处理条件下Ti-6A1-4V钛合金在室温下的机械性能。可以看到，在经过固溶处理和时效处理后，与热轧状态（未经热处理）的钛合金管相比，其拉伸强度和弹性模量均有较大的提高，延伸率下降幅度较低，在550℃x4h时效处理后，其拉伸性能下降幅度最大，下降63.1%。在400℃x6h时效后，材料的机械性能比热轧状态下降了42.7%，冲击吸收功下降了28%，强度增加了一些，σ2增加了13%，σb增加了15.1%,E增加了41.5%。而在450℃下，经过5h、8h的陈化，其强度特性有所改善，但拉伸系数、吸震系数仍然下降，弹性模量增加。结果表明，在550℃X6小时时效后，Ti合金管材的机械性能明显低于热轧状态，但下降幅度最小，只有6.3%，强度明显增加，σ0.2增加40%，增加39.2%，增加了冲击吸收功，增加了71.5%，整体机械性能较好。与550℃X6h时效处理相比，在一定程度上提高了温度和时间，即600℃x7h时效后的强度。拉伸强度和拉伸强度都有所下降，冲击吸收功增加1.7%，弹性模量下降。总之，在固溶处理模式固定的条件下，采用不同的时效
方法，550℃*6h时效（空冷）可以明显地改善材料的强度、弹性模量，并增加冲击吸收功，使合金具有较好的综合机械性能[2]。
2.2Ti合金的微观结构研究
Ti-6A1-4V钛合金在热轧状态（未经热处理）和热处理（经过6种不同的时效处理）的微观结构中可以发现，在550℃以下，经三次时效处理后，Ti-6A1-4V的组织是一种具有较大晶粒度的片状组织，最大可达200pm；经过400℃*6小时的陈化，初始α相完全变成了具有网笼结构的β相，并随温度的上升而增大，而从贝塔中分离出来的次生α相也逐渐粗大化，形成了魏氏结构。组织内的平均颗粒大小为30微米。组织呈亚稳态，在其内部均匀分布着细小的颗粒状、针状的微观结构。结果表明，在热处理时，初始的α相粒子在组织中分散，阻止了其晶粒的长大，从而导致了重结晶。等轴形、针形两种结构均因其结构细密、高强度、高疲劳性能，故经550℃x6h时效后，其综合力学性能、冲击韧性及弹性模量均有所提高[3]。
通过对钛合金微观结构的观察，结合表1所示的合金机械性能试验结果，发现600℃x7h时效所产生的细长魏氏组织，其塑性、热稳定性和疲劳强度均高于前者；在550℃x6h时效条
件下，钛合金的等轴向和针状的混合结构均表现出较好的综合性能[4]。
2.3钛合金冲击断裂的ESEM分析
通过对钛合金在不同时效处理条件下的断口ESEM分析，结果表明：经热处理的钛合金冲击断口为韧窝型，沿层状组织的相位方向发生断裂，韧窝较小，深度较浅；从而使合金的塑性韧性下降。韧窝面积大、深度深、分布均匀，韧窝方向一致；合金具有较高的强度和较好的塑性韧性。韧窝的方向不同、分布不均匀、大小差异大，主要是因为时间的关系；由于组织中α相位的不均匀分布[5]。在400Cx6h时效和450℃x5h时效后，新口的形态特征与合金组织有一定的相关性。断层是沿着相的方向发生的。550℃x6h陈化处理及600℃x7h时效处理为等轴状和针状组织，表现出明显韧窝特征，塑韧性较好的韧性断裂。
结论：
(1)Ti-6A1-4V合金在960℃*1小时的固溶（水冷）及各种工艺条件下进行时效处理，使Ti-6A1-4V合金的强度和弹性模量有所改善，但其塑性仍然很低。经960℃x1h固溶（水冷）+550℃x6h时效后，其机械性能达到最佳。
(2）通过固溶、时效等方法，Ti-6Al-4V系钛合金能获得B亚稳态，并能分散在其间的粒子α相，从而增强钛合金的强度。经热处理后的等轴向和针状的混合结构，其力学性能好，冲击韧性好，弹性模量高。
参考文献：
[1] 刘强，赵密锋,祝国川,等. 热处理对石油管材用Ti-6Al-4V-0.5Ni-0.05Ru钛合金组织和性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程,2021,50(7):2557-2567.
[2] 张君峰,徐哲,冯红超. 热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金热挤压型材组织及力学性能的影响[J]. 世界有金属,2018(2):10,12.
[3] 马超,王磊,付小强. 热处理对选区激光熔化Ti-6Al-4V组织及力学性能的影响[J]. 钢铁钒钛,2019,40(4):51-58.
[4] 孙皓,梁益龙,张雄菲,等. 再结晶退火温度对大塑性热变形Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程,2019,48(9):3015-3021.
[5] 朱宝辉,曾卫东,陈林,等. 固溶时效工艺对Ti-6Al-6V-2Sn钛合金棒材 组织及性能的影响[J]. 中国有金属学报,2018,28(4):677-684.
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