文章编号：1004-0609(2010)S1-s0695-04

热处理对ZTi600铸造钛合金组织与性能的影响

戚运莲，洪  权，卢亚锋, 杜  宇, 郭  萍，刘  伟，曾立英

(西北有色金属研究院，西安 710016)

摘  要：研究热等静压及热处理工艺对ZTi600高温铸造钛合金组织与性能的影响。研究结果表明：退火温度对屈服强度和抗拉强度以及塑性略有影响，经过热等静压处理后，室温拉伸塑性大幅度提高，塑性随着热等静压温度的升高而升高，强度变化较小；ZTi600高温铸造钛合金组织以针状、板条状的魏氏组织为主，热等静压后晶粒尺寸减小，局部组织有等轴趋势。

关键词：ZTi600钛合金；高温钛合金；热处理；组织；性能

中图分类号：TG146.2⁺3　　     文献标志码：A

Effects of heat treatment conditions on microstructures and properties of ZTi600 cast titanium alloy

QI Yun-lian, HONG Quan, LU Ya-feng, DU Yu, GUO Ping, LIU Wei, ZENG Li-ying

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)

Abstract: Effects of heat treatment and HIP process on microstructure and the properties of ZTi600 cast titanium alloy were studied. The results show that yield strength, ultimate strength and ductility will slightly vary with the annealed temperature. The ductility at ambient temperature will improve abruptly after HIP process, and it will increase with the increase of HIP temperature. The variation of strength is small. The microstructures of ZTi600 alloy are mainly composed of needle-and plate-like Widm?nstaten structures. The grain sizes will decrease after HIP process, and will tend to be equaixed structures at local regions.

Key words: ZTi600 Ti alloy; high temperature titanium alloy; heat treatment; microstructure; property

纵观国内外铸造钛合金发展历史，铸造钛合金是在已成熟的可工业化生产的变形钛合金的基础上，进行成分细微调整而开发的^[1-4]。Ti600合金是一种在600 ℃使用的近α型、含稀土元素钇的高温钛合金，具有良好的拉伸强度、蠕变和高温持久等综合性能^[5-7]。目前，这种合金几乎全部以锻件的形式投入使用。为了降低成本和获得复杂的外形，人们更关注其铸件^[8-10]。特别是国外一些性能优异的飞行器，为了获得高的飞行性能，都在应用各种复杂结构的钛合金铸件^[11-12]。钛合金铸件容易产生缩松、缩孔以及气孔等缺陷，这些缺陷会影响铸件性能，成为铸件失效的隐患，特别是对于航空航天等对铸件质量要求非常高的行业，一定要将缺陷降低到最少。因此，对于航空航天等行业中应用的钛合金铸件，必须采用适当的热等静压及热处理退火工艺消除这些问题，确保铸件的使用质量^[13-15]。为此，本文作者主要研究热等静压及热处理退火工艺对ZTi600高温铸造钛合金组织与性能的影响。

1  实验

铸件试样采用10 kg真空白耗凝壳炉熔炼。试验所用原材料为海绵钛和中间合金，将其按一定比例混合压制成锭，在真空白耗炉中熔合成1次铸锭，然后，将1次铸锭重熔得到2次锭以提高金属间的互溶性，使合金成分更加均匀。将成分合格的2次锭进行锻造加工，经车削、打磨等处理后，组焊成自耗电极备用。热等静压制度如下：温度为900~950 ℃，氩气压力为100~110 MPa，时间为2~4 h。退火热处理制度如下：于970~1 020 ℃保温2 h，于650 ℃保温8 h，空冷。

2  结果与分析

2.1  ZTi600化学成分

ZTi600高温铸造钛合金的成分是在较成熟的变形钛合金Ti600基础上发展而来的。600 ℃钛合金的合金元素主要有Al、Sn、Zr、Mo、Si以及少量稀土元素Y。

合金中添加少量硅可以明显提高合金的强度与耐热性。但硅的加入量不宜过大，一般不大于0.3%，否则有可能析出Ti3Si5质点，致使合金脆化。因此，ZTi600高温铸造钛合金的最大Si含量规定为0.13%。 采用稀土元素钇合金化高碳铸造钛合金的显徽组织，具有细小圆形TiC析出相均匀分布的特点，可以大幅度提高铸造合金的综合性能。

为提高合金延性，将合金成分中的强化元素Al减小，以减小晶格畸变，削弱固溶强化效果，同时，结合常用铸造钛合金牌号国家标准中对杂质元素含量的规定，对合金的杂质含量进行限定。

2.2  ZTi600合金的室温拉伸性能

ZTi600高温拉伸性能如表1所示。由表1可以看出：未进行热处理的ZTi600合金强度为850 MPa，室温塑性很差，呈脆断。经(970 ℃，2 h)+(650 ℃，8 h)固熔时效处理后，室温拉伸性能强度提高达1 010 MPa，伸长率为2.5%。经高温固熔时效处理后(1 020 ℃, 2 h, AC)+(650 ℃, 8 h)，强度升高到1 060 MPa，塑性基本不变，为2.5%。因此，固熔时效处理可提高ZTi600合金的抗拉强度和塑性。

表1  ZTi600的室温拉伸性能

Table 1 Tensile properties of ZTi600 alloy at room temperature

2.3  ZTi600合金的高温拉伸性能

表2所示为ZTi600合金经热处理后于600 ℃的高温拉伸性能。由表2可以看出：经(970 ℃, 2 h, AC)+ (650 ℃, 8 h)固溶时效处理后，强度为625 MPa，伸长率为1.0%。经高温处理后时效((1 020 ℃, 2 h, AC)+ (650 ℃, 8 h))，强度升高到700 MPa，塑性提高为4.0%。ZTi600合金经热处理后其高温拉伸强度可以满足使用要求，但塑性较差，不能满足使用要求。

表2  ZTi600的高温拉伸性能

Table 2  Tensile properties of ZTi600 alloy at elevated temperature

2.4  ZTi600合金的热等静压态的组织和性能

重要铸件在浇注成型后，为消除其内部缺陷，需进行热等静压处理。ZTi600热等静压后的室温拉伸性能见表3。从表3可以看出：ZTi600合金经过900 ℃、 103 MPa、2 h热等静压处理后，合金具有较高的拉伸强度(1 020 MPa)，室温塑性提高到5%~6%；随着热等静压温度的升高(950 ℃)，强度基本不变，塑性大大提高，为11.5%~12.5%，断面收缩率为18.5%~23.5%。

ZTi600热等静压后的高温拉伸性能见表4。从表4可以看出：ZTi600合金经热等静压后的高温拉伸性能(600 ℃)较好。经过900 ℃、103 MPa、2 h热等静

表3  ZTi600热等静压后的室温拉伸性能

Table 3  Tensile properties of ZTi600 alloy after HIP process at room temperature

表4  ZTi600热等静压后于600 ℃时的高温拉伸性能

Table 4  Tensile properties of ZTi600 alloy at 600 ℃ after HIP process

压处理后，合金具有较高的高温拉伸强度(645~655 MPa)，室温塑性为14.5%~17.0%。随着热等静压温度的升高(950 ℃)，强度降低约45 MPa，塑性基本不变。

2.5  ZTi600合金的组织及断口

图1所示为热等静压前、后组织对比结果。其中：图1(a)和(b)所示为热等静压前显微组织，图1(c)和(d)所示为热等静压后显微组织。从图1可以看出：热等静压后晶粒尺寸减小，局部组织有等轴趋势。

一般来说，合金的拉伸断口韧窝深度大，塑性变形能力强，反之，韧窝深度小，塑性变形能力弱。ZTi600合金拉伸断口SEM像见图3。由图2(a)可以看出：ZTi600合金未经热处理的室温拉伸断口是沿晶界的脆断，这与拉伸性能没有数值的现象相符合。经过

图1  ZTi600合金在热等静压前、后的组织

Fig.1  Microstructures of ZTi600 alloys before and after HIP process: (a) As-cast (outside); (b) As-cast (center); (c) 950 ℃, 103 MPa, 2 h (outside); (d) 950 ℃, 103 MPa, 2 h (center)

图2  ZTi600合金拉伸断口SEM像

Fig.2  SEM images of fractograghs of ZTi600 alloys: (a) At room temperature (as-cast); (b) At room temperature (900 ℃, 103 MPa, 2 h); (c) At room temperature (950 ℃, 103 MPa, 2 h); (d) At 600 ℃ (900 ℃, 103 MPa, 2 h)

900 ℃，103 MPa, 2 h热等静压处理后的室温拉伸断口呈韧性断裂(见图2(b))，随着处理温度的升高，断口韧窝增多、加深，表明塑性提高(见图2(c))，这也解释了处理温度升高而塑性提高的原因。ZTi600合金高温拉伸断口韧窝大小均匀，纤维组织比较明显，合金具有比较好的塑性(如图2(d))。

3  结论

1) 退火温度对ZTi600高温铸造钛合金屈服强度和抗拉强度以及塑性的影响不大，ZTi600高温铸造钛合金经过热等静压处理后，室温拉伸塑性大大提   高。当热等静压温度为900 ℃时，伸长率提高1倍；热等静压温度为950 ℃时，伸长率提高2倍，强度基本不变。

2) ZTi600高温铸造钛合金组织以针状、板条状的魏氏组织为主，热等静压后晶粒尺寸减小，局部组织有等轴趋势。

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(编辑 陈灿华)

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2007BAE07B02, 2007BAE07B03)；国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB613805)

通信作者：戚运莲；电话：029-86231078；E-mail: qiyunlian@126.com