時效溫度梯度變化對Ti-65541高強β鈦合金拉伸強塑性與斷裂韌性的調控規律研究：分析520-540℃區間內合金抗拉強度、屈服強度隨溫度升高衰減規律及塑性同步提升機制，明確合金強度對低溫區間時效溫度的敏感性特征

鈦合金在航空航天領域獲得了廣泛應用，是飛機及發動機的主要結構材料之一[1-3]。Ti65541鈦合金(Ti-6Al-5V-5Mo-4Cr-1Nb)是一種新型的亞穩態β型鈦合金，具備優良的力學性能和可加工性，主要用于飛機起落架、鉚釘等承力結構件的制造[4-6]。

固溶時效處理是亞穩β鈦合金的主要強化手段[7-9]。亞穩β鈦合金構件經加工成形后往往需要經過固溶時效處理獲得最終的高強韌性能[10-13]。固溶時效工藝參數主要包括固溶與時效溫度、保溫時間、冷卻速率等，對亞穩β鈦合金組織結構和力學性能具有重要影響。劉運璽等[14]研究了固溶時效對Ti-Al-Mo-V-Cr-Zr亞穩β鈦合金組織和力學性能的影響規律，發現固溶時效處理后顯微組織由初生α相和彌散分布著大量次生α相的β轉變組織組成。趙倩等[15]對固溶時效處理Ti-5Al-3.5Fe-7Mo-4Cr合金組織和拉伸性能開展研究，發現經過820℃0.5h固溶和440℃8h時效的鈦合金達到良好的強-塑性匹配，抗拉強度為1257MPa,屈服強度為1135MPa，伸長率為4%，較高強度主要源于第二相強化，次生α相間距較小、α相體積分數增加和分層次尺寸結構對合金起到顯著的強化效果。郭彥霖[16]等研究了固溶后雙時效處理對 Ti-4Al-5Mo-6Cr-5V-1Nb合金組織和力學性能的影響，發現合金經300℃×8 h+500℃×8 h雙時效處理后峰值硬度(HV)為4580 MPa，抗拉強度為1462 MPa以及伸長率為3.4%。Ti-65541鈦合金作為一種新型的高強韌亞穩β鈦合金，目前對其研究主要集中在高溫變形行為、動態再結晶等方面[5,17]，關于該合金固溶時效組織和性能方面的研究仍然偏少。

因此，本研究對Ti-65541鈦合金進行了不同溫度的時效處理，并對固溶時效后合金微觀組織、室溫拉伸性能及斷裂韌度進行了測試和分析，研究了固溶時效處理對合金組織和力學性能的影響規律，這對推動該合金工程化應用具有重要的意義。

1、試驗材料及方法

試驗材料為經兩相區鐓拔鍛造的Ti-65541鈦合金。采用線切割從同一鍛件上切取尺寸為 80 mm×120 mm×150 mm的試塊。先對試塊進行同爐870℃保溫2h后空冷的固溶處理，再分別進行520、530和540℃保溫4h后空冷的時效處理，具體固溶時效工藝參數見表1。固溶時效后沿著平行于試塊長度方向，經線切割、精加工、磨削等工序制備有效工作直徑為5mm、標距為25mm的標準拉伸試樣，及制備L-T向有效厚度為25mm的緊湊拉伸(CT)斷裂韌度試樣。每組固溶時效工藝取3個試樣進行室溫拉伸性能和斷裂韌度測試和分析，室溫拉伸測試在AG250CNE試驗機上進行，斷裂韌性在QBG-150試驗機上進行，采用CamScan3400型掃描電鏡觀察和分析鈦合金顯微組織和斷口形貌。

表1　固溶時效工藝參數

2、試驗結果與分析

2.1　固溶時效對合金微觀組織的影響

圖1為Ti-65541鈦合金經870℃2h固溶不同溫度時效4h后的微觀組織。可以看出，合金時效后原始β晶界仍清晰可見，呈現出平直的三角晶界的特征。β晶粒內部由片層狀的次生α相組成，次生α相的微觀形貌相似，均為細小片層狀，且具有較大長厚比。次生α片層之間呈現60°、90°等特定角度交錯，遵Burgers取向關系。此外，時效溫度對合金次生α片層特征會產生一定影響。隨時效溫度升高，合金次生α片層厚度和α次生相含量均有所增加，這是由于合金次生α片層是在原始β相中形核和生長，在較高溫度時效，會促進次生α片層生長和析出，故次生α片層厚度和α次生相含量增加。不同溫度時效后出現的次生α片層特征差異必然會對合金力學性能產生影響。

2.2　固溶時效對合金室溫拉伸性能的影響

對870℃2h固溶再經不同溫度時效4h后合金進行室溫拉伸測試，結果見表2，并根據表2數據繪制時效溫度與強度和塑性的關系曲線，分別見圖2和圖3。從表2、圖2及圖3可以看出，隨時效溫度升高，合金抗拉強度和屈服強度降低，伸長率和斷面收縮率升高。如時效溫度為520℃時，合金抗拉強度和屈服強度分別為1339 MPa和1274MPa，伸長率和斷面收縮率分別為7.9%和12.1%;時效溫度為530℃時，合金抗拉強度和屈服強度下降至分別為1310MPa和1249MPa，伸長率和斷面收縮率升高至分別為9.1%和13.2%;升高時效溫度至540℃時，合金抗拉強度和屈服強度分別降至1292MPa和1233MPa，伸長率和斷面收縮率分別增至9.7%和14.2%。時效溫度對拉伸性能影響與組織觀察結果是相一致的。隨時效溫度升高，次生α片層厚度和α次生相含量增加，細晶強化作用減弱，且β相固溶強化效果減弱，故拉伸強度和屈服強度降低，伸長率和斷面收縮率增加。從表2、圖2及圖3還可看出，合金強度在520~530℃區間時較為敏感，時效溫度提高10℃，抗拉強度和屈服強度分別下降了29 MPa和25MPa，而在530~540℃區間時效溫度提高10℃，抗拉強度和屈服強度分別下降了18MPa和16MPa。

表2　Ti-65541鈦合金經固溶時效后的室溫拉伸性能

進一步對合金拉伸斷口進行微觀形貌分析，結果見圖4。可以看出，不同時效溫度下拉伸斷口形貌均由纖維區、輻射區及剪切唇區組成。在纖維區、輻射區均可觀察到大量小刻面和韌窩，說明合金斷裂機制為解理斷裂與韌性斷裂的混合斷裂機制。對比不同時效溫度下的纖維區和輻射區大小(見圖4a~圖4c)，輻射區寬度從大到小順序為520℃>530℃>540℃，這也一定程度上反映了塑性大小順序為540℃>530℃>520℃，與拉伸數據結果是相一致的。此外，盡管不同時效溫度下拉伸斷口均存在大量韌窩，但540℃時效后斷口韌窩明顯比520℃時效后韌窩更加均勻、致密，說明540℃比520℃時效后的塑性更好。

2.3　固溶時效對合金斷裂韌度的影響

對870℃2h固溶再經不同溫度時效4h后合金進行斷裂韌度測試，結果見表3。根據表3數據繪制時效溫度與斷裂韌度的關系曲線，見圖5。從表3和圖5可以看出，當時效溫度為520℃時，該鈦合金的斷裂韌度為66.7 MPa·m1/2，升高時效溫度至530℃時，斷裂韌度為66.8 MPa·m1/2，僅提高了0.1 MPa·m1/2，與520℃時效時基本一致;繼續升高時效溫度至540℃時，斷裂韌度為72.2MPa·m1/2，與520℃時相比增加了8.1%。對斷裂韌度斷口進行微觀形貌觀察，結果見圖6~圖8。可以看出，不同溫度時效后合金裂紋源均位于加工缺口，且存在明顯的河流花樣和撕裂紋。擴展區則呈現出臺階狀或羽舌狀的解理斷口形貌特征。在瞬斷區都呈現明顯的韌窩和解理面共存特征。

表3　Ti-65541鈦合金不同時效熱處理后的斷裂韌度(MPa·m^1/2)

3、結論

(1)Ti-65541鈦合金870℃2h+(520~540℃)4h固溶時效后原始β晶界清晰可見，合金組織由原始β晶粒內部分布著細小片層狀次生α相組成;

(2)抗拉強度和屈服強度隨時效溫度升高而降低，伸長率和斷面收縮率隨時效溫度升高而增加;

(3)Ti-65541鈦合金強度在520℃~530℃區間時效時較為敏感，斷裂機制為解理斷裂與韌性斷裂的混合斷裂機制;

(4)斷裂韌度在520℃~530℃區間時效時基本增加緩慢，但在540℃時效時顯著增加;

(5)從獲得良好綜合力學性能考慮，Ti-65541鈦合金應選取870℃2h固溶+540℃4h時效為宜，此時抗拉強度和屈服強度分別可達1292MPa和1233MPa，伸長率和斷面收縮率分別可達9.7%和14.2%，斷裂韌度可達72.2 MPa·m1/2。

參考文獻

[1] LU Y L, JIANG J L, WANG H, et al. Study on low fatigue damage behavior of TC17 titanium alloy with basket-weave microstructure[J]. International Journal of Fatigue, 2024, 187: 108462.

[2] ZHOU S, YU H Y, AN J L, et al. Study on fatigue crack growth behavior of the TA15 titanium alloy repaired by laser deposition[J]. Engineering Failure Analysis, 2024, 161: 108276.

[3] WANG J X, YE X W, LI Y H, et al. Effect of annealing temperature on mechanical properties of TC21 titanium alloy with multilevel lamellar microstructure[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023, 869: 144788.

[4] 彭志偉，武川，王圓圓，等. Ti6554鈦合金β相區動態再結晶元胞自動機模擬[J]. 塑性工程學報, 2025, 32(2): 163-171.

[5] 武川，劉斌，周宇杰，等. Ti6554鈦合金高溫變形行為與微觀組織演化機制研究[J]. 精密成形工程, 2022, 14(1): 114-125.

[6] 李鴻江，于洋，宋曉云，等. 新型Ti-6554鈦合金熱變形行為及熱加工圖[J]. 稀有金屬, 2020, 44(5): 462-468.

[7] 邢浩洲，劉樂梁，劉繼雄，等. 單相區短時固溶及時效處理對亞穩β鈦合金組織和拉伸性能的影響[J]. 材料熱處理學報, 2025, 46(6): 61-69.

[8] 肖浩，孫楊，范娟娟，等. β鈦合金熱處理工藝研究進展[J]. 金屬熱處理, 2023, 48(11): 258-265.

[9] 劉運璽，楊毅，黃濤，等. 固溶時效處理對新型超高強鈦合金組織和力學性能的影響[J]. 航空制造技術, 2023, 66(8): 93-99.

[10] GUPTA J, JHA I K, KHATIRKAR R K, et al. Effect of aging on tensile and fracture behavior of a metastable Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn β-titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2024, 1004: 175803.

[11] GUO M, HUANG T, LUO T, et al. Manipulation of the α-phase precipitation behavior through dual-aging treatment and its correlation with mechanical properties in a metastable β titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2024, 1005: 175891.

[12] TANG B D, CHU Y Q, ZHANG M, et al. The ω phase transformation during the low temperature aging and low rate heating process of metastable β titanium alloys[J]. Materials Chemistry and Physics, 2020, 239: 122125.

[13] MARKOVSKY P E, BONDARCHUK V I, HERASYMCHUK O M. Influence of grain size, aging conditions and tension rate on the mechanical behavior of titanium low-cost metastable beta-alloy in thermally hardened condition[J]. Materials Science and Engineering: A, 2015, 645: 150-162.

[14] 劉運璽，陳瑋，李志強，等. 固溶時效對Ti-6Cr-5V-5Mo-4Al-1Nb合金組織和力學性能的影響[J]. 鈦工業進展, 2019, 36(5): 23-28.

[15] 趙倩，董福宇，吳福川，等. 固溶時效對Ti-5Al-3.5Fe-7Mo-4Cr合金組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2024, 49(5): 100-105.

[16] 郭彥霖，羅群，王國旗，等. 雙時效對Ti-4Al-5Mo-6Cr-5V-1Nb合金顯微組織和力學性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49(4): 1395-1401.

[17] 孟亞飛，王慶敏，武川，等. Ti6554鈦合金連續孔型軋制過程微觀組織演化和力學性能研究[J]. 精密成形工程, 2025, 17(8): 12-24.

（注，原文標題：時效溫度對Ti-65541鈦合金力學性能和顯微組織的影響_胡生雙）