Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr （Ti-55531） 是典型的近β鈦合金， 其良好的室溫強(qiáng)度、 斷裂韌性和淬透性使其在航空領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景 [1－2] 。 這類合金在退火態(tài)或固溶態(tài)下有良好的工藝塑性。 以上特性使得 Ti-55531 鈦合金被廣泛用于制造起落架等大型承力構(gòu)件。 現(xiàn)階段， 大型承力構(gòu)件多采用模鍛成形， 以保證良好的形狀精度和綜合力學(xué)性能 [3] 。 由于鈦合金存在變形抗力大、 對(duì)應(yīng)變速率敏感等特性， 進(jìn)一步增加了鍛造過(guò)程的難度 [4－5] 。

目前， 許多研究者已經(jīng)對(duì) Ti-55531鈦合金的變形、 熱處理工藝開(kāi)展了相關(guān)研究。 Wu C等 [6] 研究了 Ti-55531 鈦合金在兩相區(qū)的動(dòng)態(tài)相變行為， 發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變的增加， 初生 α 相的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。Fan XG等 [７] 研究了 Ti-55531 鈦合金在單相區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為， 發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變速率的降低和溫度的增加， 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)逐漸上升， 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制為連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

Wu C等 [8] 建立了 Ti-55531 鈦合金在單相區(qū)的本構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型， 并驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型的準(zhǔn)確性。 Ｘｉａｎｇ Ｙ 等 [９] 研究了 Ti-55531 鈦合金在兩相區(qū)的熱變形行為， 計(jì)算了變形熱、 α 相演化、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和織構(gòu)對(duì)軟化分?jǐn)?shù)的貢獻(xiàn)。 Ｗｕ Ｄ 等 [10]研究了 Ti-55531 鈦合金雙態(tài)組織拉伸斷裂行為， 發(fā)現(xiàn) α／ β晶界和 α／ β晶界剪切微孔洞是主要的孔洞源。 Wu C等 [11] 研究了固溶＋時(shí)效對(duì) Ti-55531 鈦合金力學(xué)性能的影響， 定性描述了力學(xué)性能和微觀組織之間的關(guān)系。 Ｈｕａｎｇ Ｃ Ｗ 等 [12] 研究了雙態(tài)組織和片狀組織的拉伸變形機(jī)制， 發(fā)現(xiàn)雙態(tài)組織變形受球狀α 相的滑移和剪切的影響， 片狀組織主要由滑移、 剪切和粗化片層的 ｛101（－）1｝＜112（－）0＞ 孿晶控制。根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)， 目前的研究多集中在規(guī)律探索和機(jī)理分析， 缺乏對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的工藝優(yōu)化。 在鍛件實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中， 需要經(jīng)過(guò)制坯、 預(yù)鍛、 終鍛等多個(gè)環(huán)節(jié)。 其中， 制坯在快鍛機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)自由鍛的方式改變坯料形狀， 便于后續(xù)的預(yù)鍛和終鍛， 預(yù)鍛和終鍛主要是在液壓機(jī)上進(jìn)行。 由于鈦合金是對(duì)變形工藝參數(shù)非常敏感的材料， 在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的不均勻組織很難通過(guò)熱處理消除， 因此， 有必要對(duì)鍛造過(guò)程中的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 考慮到快鍛機(jī)的速度為 20～30mm.s-1， 且鈦合金兩相區(qū)的鍛造溫度為相變點(diǎn)以下30 ℃， 故還需從變形量的角度對(duì)制坯工藝進(jìn)一步優(yōu)化。

本文通過(guò)在 16MN 快鍛機(jī)上進(jìn)行不同變形量的鐓粗實(shí)驗(yàn)， 研究了變形量對(duì) Ti-55531 鈦合金微觀組織的影響， 并進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行了 β退火＋時(shí)效熱處理測(cè)定了不同變形量下Ti-55531鈦合金的力學(xué) ，性能，為實(shí)際的制坯過(guò)程提供指導(dǎo)。

1、材料和方法

本研究所用原材料為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司提供的鍛態(tài)Ti-55531鈦合金棒材，其名義成分為（％，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：(4.0~6.0)Al-(4.5~6.0)Mo-(4.5~6.0)V-(2.0~3.6)Cr-(0.3~2.0)Zr。

通過(guò)金相法測(cè)得相變點(diǎn)為（840±5）℃。將棒材加工成尺寸為320ｍｍ×150ｍｍ×120ｍｍ的長(zhǎng)方體隨后在16ＭＮ快鍛機(jī)上進(jìn)行鐓粗 ，，鍛造溫度為810℃，變形量分別為5％、10％、20％、30％、50％和７0％，變形速度為20～30ｍｍ·ｓ^－1，模具預(yù)熱溫度為200℃。鍛造完成后，沿鍛造方向?qū)悠肪?，其中一塊用于觀察鍛后微觀組織，對(duì)另一塊采用β退火＋時(shí)效的工藝進(jìn)行熱處理。

熱處理制度為：860℃／55ｍｉｎ，爐冷至560℃／8ｈ，空冷。

熱處理后切取金相試樣和拉伸樣品進(jìn)行測(cè)試。金相試樣經(jīng)研磨、拋光后，采用Ｋｒｏｌｌ腐蝕液（HF∶HNO₃∶H₂O＝96∶3∶1）進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為20ｓ。拉伸樣品按照ＧＢ／Ｔ228.1—2021 [13]進(jìn)行加工。

2、結(jié)果和討論

2.1變形后的微觀組織

圖1顯示了Ti-55531鈦合金在不同變形量下的鍛后微觀組織。 可以發(fā)現(xiàn)， 隨著變形量的增加， α相的體積分?jǐn)?shù)逐漸下降， 這是由于變形過(guò)程中發(fā)生了α β動(dòng)態(tài)相變 [6] 。 類似的現(xiàn)象在 TC18 鈦合金 [14－15] 、 Ti-6554 鈦合金 [16] 中也曾出現(xiàn)。 動(dòng)態(tài)相變會(huì)引起 α 相的體積分?jǐn)?shù)、 尺寸隨著變形量的增加而逐漸下降。 在這一過(guò)程中， 隨著變形量的增加會(huì)出現(xiàn)顯著的變形溫升， 為動(dòng)態(tài)相變提供驅(qū)動(dòng)力。 另一方面， 位錯(cuò)密度的增加也給動(dòng)態(tài)相變提供充足的存儲(chǔ)能。 文獻(xiàn) [14] 指出， 位錯(cuò)密度的增加會(huì)提供一個(gè)合適的滲透路徑， 并且會(huì)提高 β相的滲透率， 從而進(jìn)一步促進(jìn)相轉(zhuǎn)變； 同時(shí)在壓應(yīng)力的作用下， α相被顯著拉長(zhǎng)， 逐漸變?yōu)槎贪魻罨虮馄綘睢?/p>

2. 2　熱處理后的微觀組織

圖 2 顯示了不同變形量下熱處理后 Ti-55531 鈦合金的微觀組織。 由于 β退火溫度在單相區(qū)以上，并且時(shí)效時(shí)間非常充分， 所以， 初生 α 相已經(jīng)消失， 同時(shí)， 熱處理后的次生 α 相有足夠的時(shí)間析出和長(zhǎng)大， 并且保留了原始 β晶界。

2. 3　力學(xué)性能

圖 3 為不同變形量下 Ti-55531 鈦合金熱處理后在 3 個(gè)方向的力學(xué)性能。 表 1 為企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中要求的 Ti-55531 鈦合金鍛件在不同方向的力學(xué)性能取值范圍。

結(jié)合圖 3 和表 1 可以看出， 熱處理后， 不同變形量下的 Ti-55531 鈦合金均表現(xiàn)出非常高的強(qiáng)度， 而在塑性方面， 變形量為5％、 10％和20％下的Ti-55531 鈦合金的斷面收縮率未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。表 2 為不同變形量下 Ti-55531 鈦合金的平均力學(xué)性能。 

根據(jù)表 2 可以發(fā)現(xiàn)， 隨著變形量的增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的平均值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，而伸長(zhǎng)率和斷面收縮率的平均值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。為了進(jìn)一步分析不同方向上力學(xué)性能的差異， 對(duì)比了不同方向上的平均力學(xué)性能， 如圖 4 所示。 從圖4 可以發(fā)現(xiàn)， 在變形量較小時(shí)， 各個(gè)方向上的力學(xué)性能無(wú)明顯差異。 當(dāng)變形量為 ７0％時(shí)， 縱向的平均抗拉強(qiáng)度為 1221. ７ ＭＰａ， 而高向的僅為 1182. ７ ＭＰａ；同時(shí)， 高向的平均斷面收縮率為 2９. ７％， 而縱向的僅為 18. 8％。 出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因或許與 β織構(gòu) [1７]的產(chǎn)生有關(guān)， 鈦合金在變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)很難達(dá)到完全， 動(dòng)態(tài)回復(fù)是主要的變形機(jī)制，這會(huì)在變形過(guò)程中形成＜100＞織構(gòu) [18] ， 從而引起力學(xué)性能的差異。 此外， 如果變形速度控制不當(dāng)， 鈦合金在大變形量下還容易出現(xiàn)流動(dòng)局部化等失穩(wěn)現(xiàn)象， 進(jìn)一步影響力學(xué)性能。 因此， 對(duì) Ti-55531 鈦合金而言， 結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)且同時(shí)為了避免各向異性， 應(yīng)將變形量范圍控制在 30％～50％。

3、總結(jié)

（1） 隨著變形量的增加， Ti-55531 鈦合金中初生 α 相的體積分?jǐn)?shù)逐漸下降， 且在壓應(yīng)力作用下逐漸變?yōu)槎贪魻睢?/p>

（2） 單相區(qū) β退火后在微觀組織中未觀察到初生 α 相， 充足的時(shí)效時(shí)間有利于次生 α 相的析出。

（3） Ti-55531 鈦合金的平均強(qiáng)度隨著變形量的增加逐漸下降， 而塑性逐漸增加， 結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)且同時(shí)為了避免各向異性， 應(yīng)將變形量范圍控制在 30％～50％。

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