时效温度梯度变化对Ti-65541高强β钛合金拉伸强塑性与断裂韧性的调控规律研究：分析520-540℃区间内合金抗拉强度、屈服强度随温度升高衰减规律及塑性同步提升机制，明确合金强度对低温区间时效温度的敏感性特征

钛合金在航空航天领域获得了广泛应用，是飞机及发动机的主要结构材料之一[1-3]。Ti65541钛合金(Ti-6Al-5V-5Mo-4Cr-1Nb)是一种新型的亚稳态β型钛合金，具备优良的力学性能和可加工性，主要用于飞机起落架、铆钉等承力结构件的制造[4-6]。

固溶时效处理是亚稳β钛合金的主要强化手段[7-9]。亚稳β钛合金构件经加工成形后往往需要经过固溶时效处理获得最终的高强韧性能[10-13]。固溶时效工艺参数主要包括固溶与时效温度、保温时间、冷却速率等，对亚稳β钛合金组织结构和力学性能具有重要影响。刘运玺等[14]研究了固溶时效对Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr亚稳β钛合金组织和力学性能的影响规律，发现固溶时效处理后显微组织由初生α相和弥散分布着大量次生α相的β转变组织组成。赵倩等[15]对固溶时效处理Ti-5Al-3.5Fe-7Mo-4Cr合金组织和拉伸性能开展研究，发现经过820℃0.5h固溶和440℃8h时效的钛合金达到良好的强-塑性匹配，抗拉强度为1257MPa,屈服强度为1135MPa，伸长率为4%，较高强度主要源于第二相强化，次生α相间距较小、α相体积分数增加和分层次尺寸结构对合金起到显著的强化效果。郭彦霖[16]等研究了固溶后双时效处理对 Ti-4Al-5Mo-6Cr-5V-1Nb合金组织和力学性能的影响，发现合金经300℃×8 h+500℃×8 h双时效处理后峰值硬度(HV)为4580 MPa，抗拉强度为1462 MPa以及伸长率为3.4%。Ti-65541钛合金作为一种新型的高强韧亚稳β钛合金，目前对其研究主要集中在高温变形行为、动态再结晶等方面[5,17]，关于该合金固溶时效组织和性能方面的研究仍然偏少。

因此，本研究对Ti-65541钛合金进行了不同温度的时效处理，并对固溶时效后合金微观组织、室温拉伸性能及断裂韧度进行了测试和分析，研究了固溶时效处理对合金组织和力学性能的影响规律，这对推动该合金工程化应用具有重要的意义。

1、试验材料及方法

试验材料为经两相区镦拔锻造的Ti-65541钛合金。采用线切割从同一锻件上切取尺寸为 80 mm×120 mm×150 mm的试块。先对试块进行同炉870℃保温2h后空冷的固溶处理，再分别进行520、530和540℃保温4h后空冷的时效处理，具体固溶时效工艺参数见表1。固溶时效后沿着平行于试块长度方向，经线切割、精加工、磨削等工序制备有效工作直径为5mm、标距为25mm的标准拉伸试样，及制备L-T向有效厚度为25mm的紧凑拉伸(CT)断裂韧度试样。每组固溶时效工艺取3个试样进行室温拉伸性能和断裂韧度测试和分析，室温拉伸测试在AG250CNE试验机上进行，断裂韧性在QBG-150试验机上进行，采用CamScan3400型扫描电镜观察和分析钛合金显微组织和断口形貌。

表1　固溶时效工艺参数

2、试验结果与分析

2.1　固溶时效对合金微观组织的影响

图1为Ti-65541钛合金经870℃2h固溶不同温度时效4h后的微观组织。可以看出，合金时效后原始β晶界仍清晰可见，呈现出平直的三角晶界的特征。β晶粒内部由片层状的次生α相组成，次生α相的微观形貌相似，均为细小片层状，且具有较大长厚比。次生α片层之间呈现60°、90°等特定角度交错，遵Burgers取向关系。此外，时效温度对合金次生α片层特征会产生一定影响。随时效温度升高，合金次生α片层厚度和α次生相含量均有所增加，这是由于合金次生α片层是在原始β相中形核和生长，在较高温度时效，会促进次生α片层生长和析出，故次生α片层厚度和α次生相含量增加。不同温度时效后出现的次生α片层特征差异必然会对合金力学性能产生影响。

2.2　固溶时效对合金室温拉伸性能的影响

对870℃2h固溶再经不同温度时效4h后合金进行室温拉伸测试，结果见表2，并根据表2数据绘制时效温度与强度和塑性的关系曲线，分别见图2和图3。从表2、图2及图3可以看出，随时效温度升高，合金抗拉强度和屈服强度降低，伸长率和断面收缩率升高。如时效温度为520℃时，合金抗拉强度和屈服强度分别为1339 MPa和1274MPa，伸长率和断面收缩率分别为7.9%和12.1%;时效温度为530℃时，合金抗拉强度和屈服强度下降至分别为1310MPa和1249MPa，伸长率和断面收缩率升高至分别为9.1%和13.2%;升高时效温度至540℃时，合金抗拉强度和屈服强度分别降至1292MPa和1233MPa，伸长率和断面收缩率分别增至9.7%和14.2%。时效温度对拉伸性能影响与组织观察结果是相一致的。随时效温度升高，次生α片层厚度和α次生相含量增加，细晶强化作用减弱，且β相固溶强化效果减弱，故拉伸强度和屈服强度降低，伸长率和断面收缩率增加。从表2、图2及图3还可看出，合金强度在520~530℃区间时较为敏感，时效温度提高10℃，抗拉强度和屈服强度分别下降了29 MPa和25MPa，而在530~540℃区间时效温度提高10℃，抗拉强度和屈服强度分别下降了18MPa和16MPa。

表2　Ti-65541钛合金经固溶时效后的室温拉伸性能

进一步对合金拉伸断口进行微观形貌分析，结果见图4。可以看出，不同时效温度下拉伸断口形貌均由纤维区、辐射区及剪切唇区组成。在纤维区、辐射区均可观察到大量小刻面和韧窝，说明合金断裂机制为解理断裂与韧性断裂的混合断裂机制。对比不同时效温度下的纤维区和辐射区大小(见图4a~图4c)，辐射区宽度从大到小顺序为520℃>530℃>540℃，这也一定程度上反映了塑性大小顺序为540℃>530℃>520℃，与拉伸数据结果是相一致的。此外，尽管不同时效温度下拉伸断口均存在大量韧窝，但540℃时效后断口韧窝明显比520℃时效后韧窝更加均匀、致密，说明540℃比520℃时效后的塑性更好。

2.3　固溶时效对合金断裂韧度的影响

对870℃2h固溶再经不同温度时效4h后合金进行断裂韧度测试，结果见表3。根据表3数据绘制时效温度与断裂韧度的关系曲线，见图5。从表3和图5可以看出，当时效温度为520℃时，该钛合金的断裂韧度为66.7 MPa·m1/2，升高时效温度至530℃时，断裂韧度为66.8 MPa·m1/2，仅提高了0.1 MPa·m1/2，与520℃时效时基本一致;继续升高时效温度至540℃时，断裂韧度为72.2MPa·m1/2，与520℃时相比增加了8.1%。对断裂韧度断口进行微观形貌观察，结果见图6~图8。可以看出，不同温度时效后合金裂纹源均位于加工缺口，且存在明显的河流花样和撕裂纹。扩展区则呈现出台阶状或羽舌状的解理断口形貌特征。在瞬断区都呈现明显的韧窝和解理面共存特征。

表3　Ti-65541钛合金不同时效热处理后的断裂韧度(MPa·m^1/2)

3、结论

(1)Ti-65541钛合金870℃2h+(520~540℃)4h固溶时效后原始β晶界清晰可见，合金组织由原始β晶粒内部分布着细小片层状次生α相组成;

(2)抗拉强度和屈服强度随时效温度升高而降低，伸长率和断面收缩率随时效温度升高而增加;

(3)Ti-65541钛合金强度在520℃~530℃区间时效时较为敏感，断裂机制为解理断裂与韧性断裂的混合断裂机制;

(4)断裂韧度在520℃~530℃区间时效时基本增加缓慢，但在540℃时效时显著增加;

(5)从获得良好综合力学性能考虑，Ti-65541钛合金应选取870℃2h固溶+540℃4h时效为宜，此时抗拉强度和屈服强度分别可达1292MPa和1233MPa，伸长率和断面收缩率分别可达9.7%和14.2%，断裂韧度可达72.2 MPa·m1/2。

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（注，原文标题：时效温度对Ti-65541钛合金力学性能和显微组织的影响_胡生双）