文章编号：1004-0609(2013)S1-s0477-03

时效处理对Ti65高温钛合金性能的影响

王  旭，李四清，李臻熙，黄  旭，刘晶南

(北京航空材料研究院，北京 100095)

摘  要：研究Ti65高温钛合金的时效处理工艺，分析不同时效处理的固溶态Ti65高温钛合金的室温拉伸性能和650 °C拉伸性能、持久性能、抗蠕变性能以及热稳定性能。结果表明：时效温度为700 °C时，Ti65高温钛合金具有良好的热稳定性能；延长时效保温时间，可以提高合金的抗蠕变性能；提高时效温度和延长时效保温时间，均降低Ti65高温钛合金的持久性能。

关键词：Ti65合金；时效温度；时效时间；力学性能；热稳定性

中图分类号：TG156.1　　     文献标志码：A

Effects of aging treatment on properties of Ti65 high-temperature titanium alloy

WANG Xu, LI Si-qing, LI Zhen-xi, HUANG Xu, LIU Jing-nan

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Abstract: The aging treatment process of Ti65 high-temperature tianium alloy was studied. The tersile property at room temperature and ternsile property, endurance property, creep property and thermal stability at 650 °C of the alloy were tested. The results show that Ti65 high-temperature titanium alloy has good thermal stability by aging treatment at 700 °C. By increasing the aging time, the creep porperty of the alloy is improved. By increasing the aging time and aging temperature, the properties of Ti65 alloy are reduced.

Key words: Ti65 alloy; aging temperature; aging time; mechanical property; thermal stability

高温钛合金作为航空发动机重要的结构材料已经成为研究的热点^[1-3]。目前，已使用的高温钛合金的服役温度最高可达600 °C，其中以英国的IMI834合金和美国的Ti-1100合金等为600 °C钛合金的典型代表^[4-8]。但随着航空发动机推动比的不断提高，发动机高压压气机后段的工作温度将超过600 °C，IMI834合金和Ti-1100合金已经无法满足航空发动机的设计要求。为满足航空发动机对高温钛合金的需求，国内在600 °C钛合金的基础上，研发了最高使用温度达到650 °C的高温钛合金（称为Ti65高温钛合金），并开展了许多工作^[9-10]。其中北京航空材料研究院开展了对Ti65合金的性能优化研究。本文作者通过调节时效处理参数控制合金的力学性能，最终优化时效处理参数，使锻件获得良好的热强度和热稳定性匹配。

1  实验

本研究中使用三次真空自耗熔炼Ti65高温钛合金，名义成分为Ti-6.5A1-2Sn-4Zr-2.5Mo-1.4W-0.2Si (质量分数)。试样坯料为经过预制坯锻造和热模锻制备的航空锻件。为研究时效处理对合金性能的影响，对经过1 030 °C保温2 h油冷(OQ)固溶处理(ST)后的试样毛坯分别于700和750 °C两个时效温度和2、5、7 h 3个时效时间进行处理，具体时效处理参数如表1所列。将不同时效处理后的材料加工成拉伸、持久和蠕变试样。其中热稳定性拉伸试样为固溶时效处理后的毛坯料于650 °C热暴露100 h空冷后按照标准加工的室温拉伸试样。

表1  时效处理工艺

Table 1  Aging processes of Ti65 alloy

2  结果与讨论

2.1  时效温度对Ti65高温钛合金性能的影响

经时效处理后的Ti65高温钛合金拉伸性能如表2所列。由表2可知，时效温度由700 °C提高到750 °C，合金的室温拉伸强度有所降低，而塑性略有提高。合金在650 °C高温下保持较好的拉伸性能，且性能水平基本相当。两种时效制度下，热暴露后的拉伸性能与未经热暴露试样的性能无明显差异，说明两种时效处理后的合金于650 °C均具有良好的热稳定性，但700 °C时效后的热稳定性比750 °C时效温度工艺的性能稍好。

表2 时效处理后Ti65合金的拉伸性能

Table 2 Tensile properties of Ti65 alloy after aging processes

时效温度对Ti65高温钛合金于650 °C的持久性能的影响如图1所示。由图1可知，700 °C时效后Ti65高温钛合金的650 °C持久性能优于750 °C时效处理的试样。时效温度对合金在650 °C的蠕变性能的影响如表3所示。由表3可知，Ti65高温钛合金在两种不同时效温度处理后的高温蠕变性能无明显差异，均保持较高的抗蠕变性。

2.2 时效时间对Ti65高温钛合金性能的影响

时效时间对Ti65高温钛合金的室温拉伸性能、650 °C拉伸性能以及650 °C热稳定性能的影响如表4所示。从表4可以看出，Ti65高温钛合金的室温和650 °C拉伸性能以及650 °C热稳定性能对时效时间的变化不敏感，各时效时间下获得的性能基本相当。

图1  不同时效温度条件下Ti65合金的高温持久性能

Fig. 1  High temperatures stress rupture properties of Ti65 alloy aged at different temperatures

表3  不同时效温度条件下Ti65合金的高温蠕变性能

Table 3 High temperature creep properties of Ti65 alloy aged at different temperatures

表4  不同时效时间条件下Ti65合金的高温拉伸性能和热稳定性能

Table 4  High temperature tensile properties and thermal stability of Ti65 alloy aged for different time

时效时间对Ti65高温钛合金的650 °C持久性能的影响如图2所示。由图2可知，随着时效时间的延长，Ti65高温钛合金的650 °C持久性能略有降低。

时效时间对Ti65高温钛合金的650 °C蠕变性能的影响如表5所示，从表5可知，随着时效时间的延长，Ti65高温钛合金的650 °C蠕变性能有一定的提高。

图2  不同时效时间下Ti65合金的高温持久性能

Fig. 2  Stress rupture properties of Ti65 alloy aged for different time at 650 °C and 240 MPa

表5  不同时效时间条件下Ti65合金的高温蠕变性能

Table 5  Creep properties of Ti65 alloy at 650 °C aged for different time

3  结论

1) 随时效温度的提高，Ti65高温钛合金室温拉伸强度和持久性能有所降低，塑性升高；650 °C高温拉伸性能、热稳定性能和蠕变性能变化不大。

2) 随时效时间的延长，Ti65高温钛合金的拉伸性能变化不大，持久性能降低，抗蠕变性能提高。

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(编辑 方京华)

收稿日期：2013-07-28；修订日期：2013-10-10

通信作者：王  旭，助理工程师；电话：010-62496630，传真：010-62496640；E-mail：wangxu621@gmail.com