表 2 熱處理制度

3、試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 力學(xué)性能測(cè)試

熱處理后對(duì)試塊進(jìn)行室溫拉伸、高溫拉伸、高溫蠕變及硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示。從圖2可看出，經(jīng)過(guò)不同的熱處理制度，材料力學(xué)性能有明顯差異。從圖2a、b可知，隨著冷卻速度的降低，Ti150合金強(qiáng)度降低，塑性升高；當(dāng)固溶采用水冷時(shí)，材料的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)1176MPa、伸長(zhǎng)率8.4%，600℃高溫抗拉強(qiáng)度也高達(dá)763MPa；固溶采用空冷時(shí)，材料室溫抗拉強(qiáng)度為1027MPa、伸長(zhǎng)率14.1%，600℃高溫抗拉強(qiáng)度降至611MPa。試樣經(jīng)過(guò)蠕變測(cè)試（600℃，150MPa，100h）后的殘余伸長(zhǎng)率如圖2c所示，從圖2c可知，隨著固溶冷卻速度 降低，抗蠕變能力變差。將每組試塊切取一個(gè)試樣按圖1a所示位置進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如圖2d所示。

從圖2d可看出，硬度隨固溶冷卻速度的降低而降低，水冷時(shí)，試樣表面硬度為383HBW，心部硬度為349HBW；空冷時(shí)，表面硬度為335HBW，心部硬度為321HBW，從不同位置硬度還可看出，硬度從表面向心部逐漸降低。

3.2 金相組織觀察

試驗(yàn)材料熱處理后典型的顯微組織如圖3所示。

從圖3可看出，在α相＋β相→β相變點(diǎn)以下25℃時(shí)固溶，冷卻速度不同的情況下，時(shí)效后的組織形貌均為雙態(tài)組織，在β相轉(zhuǎn)變組織的基體上均勻分布著等軸初生α相[8]；次生α相由過(guò)飽和β相和馬氏體α'相分 解形成，形態(tài)呈片層狀，優(yōu)先從晶界開始析出。不同的是，隨著冷卻速度的降低，初生α相含量逐漸增加（從水冷時(shí)的約20%增加到空冷時(shí)的30%），尺寸也逐漸長(zhǎng)大（水冷時(shí)初生α相直徑為12～18μm，空冷時(shí)長(zhǎng)大至20～25μm）。而且隨著固溶冷卻速度的降低，次生α相也明顯增加，片層間距變粗，水冷時(shí)為極細(xì)的板條，空冷片層逐漸變粗甚至呈短棒狀。

3.3 分析討論

相關(guān)研究表明，近α相鈦合金組織轉(zhuǎn)變主要為擴(kuò)散型固態(tài)相變，轉(zhuǎn)變過(guò)程受固溶冷卻速度的影響較大[9，10]。Ti150合金在α相＋β相→β相變點(diǎn)以下進(jìn)行高溫固溶時(shí)，保溫一定時(shí)間后，α相和β相逐漸達(dá)到平衡，合金元素重新分配，在固溶后快速冷卻時(shí)，初生α相相對(duì)較小，β相轉(zhuǎn)變成過(guò)飽和馬氏體α'相越多，后續(xù)的時(shí)效過(guò)程中，過(guò)飽和馬氏體α'相又轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊料郲11]。由此得出Ti150合金在快速冷卻時(shí)，合金元素來(lái)不及擴(kuò)散，初生α相來(lái)不及長(zhǎng)大，次生α相的長(zhǎng)大過(guò)程被抑制，形成不同方向的細(xì)片層狀，冷卻速度較慢時(shí)則形成粗大的板條或棒狀，板條尺寸的增加使得位錯(cuò)密度降低，使位錯(cuò)滑移變得更加容易，從而影響材料的力學(xué)性能。

組織形態(tài)決定了鈦合金性能。從室溫、高溫拉伸性能看，隨著冷卻速度降低，材料的強(qiáng)度也明顯降低，塑性增加。這主要是由于在快速冷卻條件下，原子來(lái)不及擴(kuò)散和聚集，初生α相的長(zhǎng)大被抑制，相應(yīng)的含量略低，次生α相也更細(xì)小，所以強(qiáng)度高、塑性差；反之，冷卻速度越慢，初生α相含量越多，次生α相也隨之長(zhǎng)大，合金強(qiáng)度更低[12]。從硬度檢測(cè)結(jié)果看，冷卻速度越快，硬度越高，而且試樣不同位置硬度差異非常明顯。這主要是由于合金β相穩(wěn)定元素含量較少，因此導(dǎo)致材料淬透性較差[13]。

從蠕變性能看，由于固溶冷卻速度越慢，初生α相含量越多，因此抗蠕變能力也更差[14]。

4、結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)試驗(yàn)研究表明，Ti150合金隨著固溶冷卻速度的降低，強(qiáng)度和抗蠕變能力逐漸降低，塑性明顯提高。

2）固溶冷卻速度越低，初生α相的含量略有增加，尺寸長(zhǎng)大；次生α相也隨著冷卻速度的降低，形態(tài)由細(xì)小的片層狀變?yōu)榇謼l狀及棒狀。

3）從硬度檢測(cè)情況看，硬度不僅隨著冷卻速度的降低而降低，而且同一個(gè)試樣從表面到心部硬度也逐漸降低，說(shuō)明材料淬透性較差。

4）通過(guò)試驗(yàn)研究表明，要得到較高的強(qiáng)度及抗蠕變能力，Ti150合金固溶后應(yīng)采用水冷比較合適。

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（注：本文原標(biāo)題：固溶冷卻方式對(duì)Ti150合金組織及性能的影響）