固溶处理对Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe钛合金组织与力学性能的影响

固溶处理对Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe钛合金组织与力学性能的影响钛及钛合金由于比强度高、无磁性、热导率低、耐腐蚀、对环境无污染等一系列优点，不但大量应用于宇航工业及化学工业，而且作为汽车用材很早就引起人们的重视。汽车用钛可减轻全车质量，降低燃料消耗，提高工作效率，改善环境和降低噪音等。然而钛合金的制造成本相对于钢铁、铝等大量使用的传统金属材料而言要高出许多，较高的制备成本在一定程度上阻碍了其在对成本非常敏感的民用领域的应用，最典型的例子就是汽车领域，因此如何降低钛合金材料的成本成为材料科学工作者研究的热点和重点。Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe是采用廉价的常用的炼钢用Cr-Fe作为中间合金所设计的低成本钛合金，之所以选择Cr-Fe合金作为中间合金主要是因为以下两点：一是Cr-Fe合金价格低廉而比较容易得到；二是Cr和Fe元素为β稳定元素，可以稳定β相，且Cr元素还具有细化晶粒的作用。但是Cr和Fe元素作为共析元素，含量太高会导致合金内元素发生偏析，甚至会产生“黑斑”。为了探索Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe低成本钛合金的组织及性能，科研人员研究在炉冷（FC）、空冷（AC）和水冷（WQ）后以及不同热处理温度下该合金的显微组织和力学性能。实验材料为二次真空自耗熔炼Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe低成本钛合金，该合金铸锭化学成分如表1所列。该合金铸锭经过在1050℃下开坯、单相区锻造后轧制加工成Φ12mm×2000mm的棒材。表1Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe合金的化学成分AlCrFeCSiTi2.9～3.12.25～2.41.2～1.4～0.075～0.0533余量棒材显微组织由形状各异的原始β晶粒和初生α相组成，用淬火金相法测得该合金的相变点为（935±5）℃。从棒材上用线切割切取Φ10mm×10mm的金相试样和长度为70mm的试样，分别在890、910、960和980℃下加热并保温0.5h，冷却方式有炉冷（FC）、空冷（AC）和水淬（WQ）。对热处理后的金相试样进行显微组织观察，把制备好的金相试样经配比为V（HF）:V（HNO3）:V（H2O）=1:3:7的金相腐蚀剂腐蚀后，放置在干燥器中24h，然后在Axiovert200MAT型Zeiss光学显微镜上进行显微组织观察。XRD测试在X′PertPROMPO型X射线衍射仪上进行。把热处理后长度为70mm的试样制作成标准拉伸试样，拉伸实验在ZNSTRON200LZC型材料拉伸试验机上进行，选取部分拉伸试样的断口在QUANTA400型扫描电子显微镜上进行断口形貌观察。（1）Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe经固溶热处理，水淬后的组织主要由α′马氏体和β相组成，空冷后的组织主要由α相和残留β基体组成，炉冷后的组织为典型的网篮组织。空冷时随着固溶温度的升高初生α相逐渐转变成β相，β晶粒随着温度升高而长大。（2）Ti-3.0Al-2.3Cr-1.3Fe合金强度随着冷却速度的增加而增大，水淬后试样的强度最大，其抗拉强度和屈服强度分别为1270和1160MPa，空冷后试样的断面收缩率最高为40%左右，伸长率随冷却速度增加而降低，空冷后的强度-塑性匹配较好。固溶温度对空冷后试样的强度影响不大，其塑性随温度升高而降低。（3）拉伸断口的形貌表明，合金在炉冷和空冷后表现出的断裂方式以韧性为主，在水淬后的断裂方式以脆性断裂为主。