文章编号：1004-0609(2010)S1-s0127-05

热循环温度对Ti-6Al-4V合金组织和力学性能的影响

赵永庆¹，李文鹏²，魏建峰²

(1. 西北有色金属研究院，西安 710016；

2. 西安交通大学 材料科学与工程学院, 西安 710049)

摘  要：采用500~1 000 ℃热循环20次，研究Ti-6Al-4V(TC4)合金性能及微观组织的变化。结果表明：随热循环温度的升高，TC4合金强度先降低后升高；低于800 ℃时，TC4合金塑性随热循环温度升高变化不大，高于800 ℃，随热循环温度升高，TC4合金塑性快速降低；随温度升高，TC4合金的晶粒明显长大，温度高于800 ℃时，TC4合金中开始形成片层状组织，至1 000 ℃时，合金组织几乎呈全片层状。

关键词：TC4钛合金；热循环；力学性能；微观组织

中图分类号：TG146.23　　     文献标志码：A

Effect of thermal cycling temperature on microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy

ZHAO Yong-qing¹, LI Wen-peng², WEI Jian-feng²

(1. Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China;

2. School of Materials Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract: The changes of microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy after thermal cycling 20 times from 500 ℃ to 1 000 ℃ were researched. The results show that the strength of Ti-6Al-4V alloy firstly reduces and then increases with the increase of cycling temperature. If the cycling temperature is lower than 800 ℃, its plasticity changes less with the temperature. While the temperature is higher than 800 ℃, its plasticity decreases fast. The grain size grows fast with increasing temperature. While the temperature is over 800 ℃, the lamellar microstructure forms, when the temperature reaches 1 000 ℃, the microstructure is almost lamellar one.

Key words: Ti-6Al-4V alloy; thermal cycling; mechanical properties; microstructures

材料构件在承受高温热循环作用时，其性能会恶化，寿命会降低^[1]，许多研究认为^[2-10]热循环温度是影响金属性能的重要因素之一。在高温热循环状况下工作的Ti-6Al-4V(TC4)合金构件，温度不仅影响其组织，还可能导致其力学性能恶化。因此，研究热循环温度对TC4合金组织和力学性能的影响，对预测不同温度热循环下TC4合金部件的可靠性，具有很强的理论价值和实际意义。本文作者从TC4的力学性能、组织变化两个方面对热循环温度的影响进行分析。

1  实验

实验所用TC4合金是西北有色金属研究院生产的直径为10 mm的棒材。按国家标准加工拉伸试样，循环温度分别选为500、650、800、900、1 000 ℃，循环次数均为20次，试样加热至循环温度后均保温5 min，出炉后空冷至室温，测试TC4合金的室温拉伸性能。采用OLYMPUS GX71光学显微镜和JSM-2700扫描电镜观察其微观组织。

2  结果与分析

2.1  TC4合金的力学性能

表1所列为 TC4合金经过不同温度热循环后的室温拉伸性能变化曲线。由表1可知，TC4合金经过不同温度热循环后，屈服强度和抗拉强度变化趋势基本一致，伸长率和面缩率变化趋势也基本相同；当循环温度低于800 ℃时，合金的强度随循环温度的升高逐渐降低；当温度由500 ℃升至800 ℃时，TC4合金的屈服强度由995 MPa降至832 MPa，抗拉强度由1 065 MPa降至948 MPa；当温度超过800 ℃时，合金的强度随循环温度升高又略有恢复。同样，合金的塑性变化也可以800 ℃为界，温度低于800 ℃时，合金的塑性随温度的变化几乎不变(伸长率约为15%)，该现象表明在500~800 ℃区间，合金的塑性对温度变化不敏感；而温度超过800 ℃时，随热循环温度升高，合金的塑性下降较快；1 000 ℃时，其伸长率仅为1.3%。

表1  Ti-6Al-4V合金不同温度循环后拉伸试样力学性能

Table 1  Mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy after different temperature thermal cycling

2.2  拉伸断口形貌

图1所示为TC4合金经500 ℃和1 000 ℃热循环后的室温拉伸断口形貌。由图1可知，经500 ℃热循环后断口的纤维区、放射区和剪切唇区特征明显，断口由大小均匀、密度很高的韧窝组成(见图1(a)和(b))，表明合金在此温度下热循环表现出塑性断裂特征。经800 ℃热循环后，断口以纤维区为主，纤维区边缘有明显的裂纹和撕裂棱， 表明材料在拉伸过程中经过较大塑性变形。微观断口观察发现，断裂时产生大量细小的韧窝，并伴随着三叉型撕裂痕。900 ℃热循环后，断口几乎全被放射区占据，断口表面比较平坦，边缘区存在清晰的撕裂棱和正断台阶；其微观断口由韧窝区和沿晶解理区组成，断口表面韧窝密度较小，深度较浅，沿晶解理区附近存在明显的裂纹，可能是由于韧窝区和沿晶解理区变形不协调所导致的。经1 000 ℃热循环后，发生典型的沿晶解理断裂，宏观断口表面较为光滑，视场内全由放射区占据，断口边部可以观察到氧化层和基体间形成的裂纹；大量长条状沿晶解理痕迹存在于断口中，解理条纹交错排列。

图1  不同温度热循环TC4合金室温拉伸断口

Fig.1  Tensile fractographs of Ti-6Al-4V alloy after different temperatures thermal cycling: (a) 500 ℃, macro-image; (b) 500 ℃, micro-image; (c) 1 000 ℃, maco-image; (d) 1 000 ℃, micro-image

对比不同温度时的断口形貌可以发现，随着温度的升高，TC4合金热循环后，室温拉伸断口中纤维区相对面积逐渐减小，温度低于800 ℃时，微观断口为典型塑性韧窝断口，高于800 ℃时，微观断口形貌中出现明显解理条纹、且解理区所占比例随热循环温度升高而增大；1 000 ℃热循环后，室温拉伸断口形貌几乎全为解理区(见图1(c)和(d))。结果表明，热循环温度低于800 ℃时，温度的升高对TC4合金断裂机制影响不大，均为塑性韧窝断裂，热循环温度由800 ℃升高至1 000 ℃时，TC4合金室温拉伸断裂机制发生由韧窝→解理+韧窝混合→完全解理断裂的转变。

2.3  微观组织

图2所示为TC4合金经不同温度热循环后的金相组织。由图2可看出，经500 ℃热循环后，组织中β相以长轴状分布于α基体中；当热循环温度低于800 ℃时，随温度的升高，组织中黑色的β相逐渐减少，同时α晶粒有所长大；当温度为800 ℃时，组织中β相含量最少，β相不连续分布于α晶粒周围；当热循环温度为900 ℃时，组织中β相以片状和α相间分布，组织由长轴α区和α+β片层区组成，α+β片层组织和α相的含量相当；当热循环温度达到1 000 ℃时，组织中α和β相均呈片状，长度达50 μm以上，形成片层状α+β网篮组织。

为了更清楚地分析α、β相形貌特征，对不同温度热循环后的试样进行SEM观察，其结果如图3所示。由图3可看出，经过500 ℃热循环后，组织中α晶粒为长轴形，β相近乎连续分布于α晶粒周围，部分大块表面呈现出片层状；经过650和800 ℃热循环后组织中α晶粒形状较500 ℃时的更加圆整规则，呈现等轴状；经800 ℃热循环后，β相在α晶界的连续性较650 ℃时的差；TC4合金经过1 000 ℃热循环后，整个组织中分布着大量的长条状α+β，α和β片层厚度均小于0.5 ?m。

观察TC4微观组织的变化发现，晶粒尺寸随温度升高出现长大现象。图4所示为TC4合金经800 ℃热循环后的组织照片。由图4可看出，经热循环后，TC4合金α晶界处β消失，α晶粒相互合并长大。晶粒的长大主要以晶粒合并长大机制实现(见图5)。

图2  不同温度热循环后TC4合金的金相组织

Fig.2  OM images of Ti-6Al-4V alloy after different thermal cycling temperatures: (a) Original structure; (b) 500 ℃; (c) 900 ℃;         (d) 1 000 ℃

图3  不同温度热循环后TC4合金的SEM像

Fig.3  SEM images of Ti-6Al-4V alloy after different thermal cycling temperatures: (a) 500 ℃; (b) 1 000 ℃

图4  800 ℃热循环后TC4合金晶粒长大的形貌

Fig.4  Morphologies showing grain growth after thermal cycling at 800 ℃

图5  晶粒合并长大示意图

Fig.5  Sketch diagram of grain growth

3  结论

1) 采用500~1 000 ℃热循环时，随热循环温度升高，TC4合金强度先降低后升高；低于800 ℃时，TC4合金塑性随热循环温度升高变化不大；高于800 ℃时，随热循环温度升高，TC4塑性快速降低。

2) 随温度升高，TC4合金发生明显的晶粒长大现象，温度高于800 ℃时，TC4开始有片层状组织形成，达到1 000 ℃时，组织几乎呈全片层状。

REFERENCES

[1] 武维新, 张 楠. 典型飞行事故调查与分析方法[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008: 169-172.

WU Wei-xin, ZHANG Nan. Investigation and analysis for typical fly accident[M]. Beijing: Defense Industry Press, 2008: 169-172.

[2] 傅恒志. 未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋势[J]. 航空材料学报, 1998, 18(4): 52-60.

FU Heng-zhi. Change and developing trend for future aero-engines[J]. Journal of Aero Materials, 1998, 18(4): 52-60.

[3] URBINA C, DELAFLOR S, FERRANDO F. Effect of thermal cycling on the thermomechanical behavior of NiTi shape memory alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 501: 197-206.

[4] 徐文娟, 操光辉, 吴申庆. 金属基复合材料的热循环行为[J]. 材料科学与工程, 1999, 17(1): 39-42.

XU Wen-juan, CHAO Guang-hui, WU Shen-qing. Thermal cycling behavior of metal matrix composites[J]. Materials Science and Engineering, 1999, 17(1): 39-42.

[5] HUANG B. Effects of the coating system and interfacial region thickness on the thermal residual stresses in SiC_f/Ti-6Al-4V composites[J]. Materials and Design, 2009, 30: 718-722.

[6] 宋志坤, 谢基龙, 张励忠, 等. 铸钢轮材料在700 ℃~20 ℃热循环下断裂机制分析[J]. 铁道学报, 2007, 29(2): 141-144.
SONG Zhi-kun, XIE Ji-long, ZHANG Li-zhong, et al. Fracture mechanism of thermal cycling from 700 ℃ to 20 ℃ for casting steel[J]. Journal of Railway, 2007, 29(2): 141-144.

[7] GULERYUZ H, CIMENOGLU H. Oxidation of Ti-6Al-4V alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2009, 472: 241-246.

[8] 贾新云, 刘培英, 陶 冶, 等. 钛合金的高温氧化及防护[J]. 航空工程与维修, 2004, 4: 19-21.
JIA Xin-yun, LIU Pei-ying, TAO Ye, et al. High temperature oxidation and protection for titanium alloys[J]. Aero Engineering and Reparation, 2004, 4: 19-21.

[9] 张春艳, 伍光凤, 田中青. TC4 合金热氧化行为的研究[J]. 热加工工艺, 2007, 36(16): 36-38.

ZHANG Chun-yan, WU Guang-feng, TIAN Zhong-qing. Research on thermal oxidation of TC4 alloy[J]. Heat Processing Technology, 2007, 36(16): 36-38.

[10] 金泰来, 魏建锋, 顾兆林, 赵永庆. TC4合金特高温氧化行为的研究[J]. 钛工业进展, 2005, 22(4): 19-22.
JIN Tai-lai, WEI Jian-feng, GU Zhao-lin, ZHAO Yong-qing. Extra-high temperature oxidation behavior of TC4 alloy[J]. Titanium Industry Progress, 2005, 22(4): 19-22.

(编辑 龙怀中)

通信作者：赵永庆，教授，博士；电话：029-86266577；E-mail: trc@c-nin.com