1、序言

自20世纪中叶钛合金被开发使用以来，在各行各业得到了宽泛的利用，出格是在航空航天领域，传统的钢、铝等资料已经不能齐全满足使用要求。因其拥有沉量轻、比强度高，以及耐侵蚀与耐高温等特点，钛合金在航空工业中迅速脱颖而出。在航空发起机领域，为减轻发起机沉量、提高其推沉比，正朝着使用部门钛合金包办耐热钢及高温合金的方向发展[1]。因而，此刻对钛合金的机能也提出了更高的要求，出格是在高温、高应力、高转速环境中的使用机能。

进入21世纪以来，世界列国在高温钛合金的研发上有了长足的进取，已经研发出能在600℃以上持久使用的高温钛合金脊基复合伙料，如英国的IMI834合金、美国的Ti-1100合金及俄罗斯的BT18Y合金等[2]。国内对于高温钛合金的研发及利用也获得了一些成就，如Ti60、Ti65、Ti2AlNb及Ti150等钛合金的研发及利用[3-5]。Ti150是国内研发的近α型高温钛合金，其能在600℃的高温环境中持久使用，适合造作在高温下服役的静子件和转子件[6]。

目前，国内表对Ti150合金的钻研集中在固溶温度对显微组织和力学机能的影响[7]，固然获得了一些Ti150合金组织和机能随固溶温度变动的法规，但是还不足对该资料固溶冷却方式的钻研，本文通过钻研固溶冷却方式对Ti150合金显微组织和力学机能的影响，为今后的出产实际提供参考。

2、试验资料及步骤

2.1 试验资料

本次试验所用资料为经过3次真空自耗电弧炉熔炼的Ti150合金铸锭，其名义成分见表1。经金相法测得该合金α相＋β相→β相变点为1051℃。铸锭经β相区开坯铸造，在α相＋β相区改锻为φ 180mm规格棒材，试块尺寸加工至200mm×25mm×25mm，而后在箱式电阻炉内进行固溶和时效处置。

表 1 Ti150 合金铸锭名义成分 (质量分数)(%)

2.2 试验步骤

将以上试块分4组进行热处置，具体热处置造度见表2。试样热处置后进行理化检测，而后通过对检测了局进行分析，明确固溶冷却方式对资料组织及机能的影响。硬度检测地位、拉伸和蠕变试验取样地位如图1所示。

表 2 热处置造度

3、试验了局及会商

3.1 力学机能测试

热处置后对试块进行室温拉伸、高温拉伸、高温蠕变及硬度检测，了局如图2所示。从图2可看出，经过分歧的热处置造度，资料力学机能有显著差距。从图2a、b可知，随着冷却速度的降低，Ti150合金强度降低，塑性升高；当固溶选取水冷时，资料的室温抗拉强度达1176MPa、伸长率8.4%，600℃高温抗拉强度也高达763MPa；固溶选取空冷时，资料室温抗拉强度为1027MPa、伸长率14.1%，600℃高温抗拉强度降至611MPa。试样经过蠕变测试（600℃，150MPa，100h）后的残存伸长率如图2c所示，从图2c可知，随着固溶冷却速度 降低，抗蠕变能力变差。将每组试块切取一个试样按图1a所示地位进行硬度检测，了局如图2d所示。

从图2d可看出，硬度随固溶冷却速度的降低而降低，水冷时，试样表表硬度为383HBW，心部硬度为349HBW；空冷时，表表硬度为335HBW，心部硬度为321HBW，从分歧地位硬度还可看出，硬度从表表向心部逐步降低。

3.2 金相组织观察

试验资料热处置后典型的显微组织如图3所示。

从图3可看出，在α相＋β相→β相变点以下25℃时固溶，冷却速度分歧的情况下，时效后的组织描摹均为双态组织，在β相转变组织的基体上均匀散布着等轴初生α相[8]；次生α相由过鼓和β相和马氏体α'相分 解形成，状态呈片层状，优先从晶界起头析出。分歧的是，随着冷却速度的降低，初生α相含量逐步增长（从水冷时的约20%增长到空冷时的30%），尺寸也逐步长大（水冷时初生α相直径为12～18μm，空冷时长大至20～25μm）。并且随着固溶冷却速度的降低，次生α相也显著增长，片层间距变粗，水冷时为极细的板条，空冷片层逐步变粗甚至呈短棒状。

3.3 分析会商

有关钻研批注，近α相钛合金组织转变重要为扩散型固态相变，转变过程受固溶冷却速度的影响较大[9，10]。Ti150合金在α相＋β相→β相变点以下进行高温固溶时，保温一按功夫后，α相和β相逐步达到平衡，合金元素沉新分配，在固溶后急剧冷却时，初生α相相对较幼，β相转造成过鼓和马氏体α'相越多，后续的时效过程中，过鼓和马氏体α'相又转变为次生α相[11]。由此得出Ti150合金在急剧冷却时，合金元素来不及扩散，初生α相来不及长大，次生α相的长大过程被抑造，形成分歧方向的细片层状，冷却速度较慢时则形成粗壮的板条或棒状，板条尺寸的增长使得位错密度降低，使位错滑移变得越发容易，从而影响资料的力学机能。

组织状态决定了钛合金机能。从室温、高温拉伸机能看，随着冷却速度降低，资料的强度也显著降低，塑性增长。这重要是由于在急剧冷却前提下，原子来不及扩散和荟萃，初生α相的长大被抑造，相应的含量略低，次生α相也更藐幼，所以强度高、塑性差；反之，冷却速度越慢，初生α相含量越多，次生α相也随之长大，合金强度更低[12]。从硬度检测了局看，冷却速度越快，硬度越高，并且试样分歧地位硬度差距极度显著。这重要是由于合金β相不变元素含量较少，因而导致资料淬透性较差[13]。

从蠕变机能看，由于固溶冷却速度越慢，初生α相含量越多，因而抗蠕变能力也更差[14]。

4、实现语

1）通过试验钻研批注，Ti150合金随着固溶冷却速度的降低，强度和抗蠕变能力逐步降低，塑性显著提高。

2）固溶冷却速度越低，初生α相的含量略有增长，尺寸长大；次生α相也随着冷却速度的降低，状态由藐幼的片层状变为粗条状及棒状。

3）从硬度检测情况看，硬度不仅随着冷却速度的降低而降低，并且统一个试样从表表到心部硬度也逐步降低，注明资料淬透性较差。

4）通过试验钻研批注，要得到较高的强度及抗蠕变能力，Ti150合金固溶后应选取水冷比力相宜。

参考文件：

[1] 金和喜，魏克湘，李建明，等. 航空用钛合金钻研进展[J]. 中国有色金属学报，2015，25（2）：281-292.

[2] 侯金健，高强强，安晓婷. 国内表高温钛合金钻研及利用的最新发展[J]. 热加工工艺，2014，43（10）：11-15.

[3] 曾立英，赵永庆，洪权，等. 600℃高温钛合金的研发[J]. 钛工业进展，2012，29（5）：1-5．

[4] 王旭，李四清，李臻熙，等. 固溶处置对Ti65高温钛合金组织与机能的影响：“全国钛脊合金学术互换会”论文集[C]. 北京：科学出版社，2013.

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[11] 李四清，王旭，邓雨亭，等. 固溶温度对IMI834钛合金锻件组织及机能的影响[J]. 航空造作技术，2019，62（19）：47-52.

[12] 王宁，贾蔚菊，毛幼南，等. 热处置对IMI834钛合金组织及拉伸机能的影响[J]. 罕见金属资料与工程，2022，51（8）：3077-3088.

[13] 吴欢，赵永庆，葛鹏，等. β不变元素对钛合金α相强化行为的影响[J]. 罕见金属资料与工程，2012，41（5）：805-810.

[14] TORSTER F，ANDRES C，L?TJERING G，et al. Correlation between texture and high temperature mechanical properties of the titanium alloy IMI 834[J]. Zeitschrift Fuer Metallkunde，1999，90（3）：174-181.

（注：本文原标题：固溶冷却方式对Ti150合金组织及机能的影响）