吕鹏 党鹏 马燕兵 田庆 党仁贺

（新疆湘润新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

Ti-6Al-4V 合金也称TC4 合金，是目前最常见的钛合金，该合金具有良好的室温强度、优异的变形能力以及良好的耐腐蚀性等特点[1]，在军工、航海、航天、医疗等众多领域都有十分广泛的使用，因为其使用范围广，故该合金也被称为万能钛合金[2]。

虽然目前对Ti-6Al-4V 合金的研究较多[3-4]，但大多数研究均是对Ti-6Al-4V 合金进行固溶时效处理，随后测试其拉伸性能，但对其它冷却方法研究较少，故本试验对Ti-6Al-4V 合金进行加热处理后，分别采用三种不同的冷却方式对其进行冷却，随后进行微观组织分析与力学性能测试，得出相应对关系，为该合金的工业应用提供一定参考。

1 试验材料与方法

选用直径为110 mm 的Ti-6Al-4V 合金棒材作为试验材料，该棒材原材料为Al-V 中间合金以及小颗粒海绵钛，为保持棒材成分均匀性，经真空自耗熔炼炉熔炼三次成钛合金铸锭，再由自由锻造机锻造而成棒坯，再经校直、去黑皮、探伤等工艺制成直径为110 mm 的成品棒材。试验用棒材的化学成分为：6.4%Al、4.3% V、0.12% O、0.145% Fe、Ti 余量。通过金相法测得该棒材相变点为980 ℃。试验用Ti-6Al-4V 合金棒材的原始锻态微观组织如图1 所示，该组织为典型的双态组织，该组织由初生α 相、次生α 相以及残余β相构成，是明显的两相区锻造组织。

图1 原始锻态微观组织

将Ti-6Al-4V合金棒材进行线切割加工，随后选取两相区温度940 ℃对该棒材进行加热并保温1h，热处理完后对棒材进行水冷、空冷、炉冷三种方式冷却，随后观察试样微观组织，并测试拉伸性能，拉伸性能测试项目有抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、断面收缩率。采用高精度等级电阻炉对试样进行加热处理，使用光学显微镜观察试样微观组织，采用万能电子实验机测试拉伸性能。

2 微观组织

图2为合金经不同冷却方式处理后的微观组织，由图2 可知，与原始微观组织相比较，经三种冷却方式处理后，均存在大量初生α 相，其形貌以长条状和等轴状为主，其中合金经水冷（图2a）与空冷（图2b）处理后，组织中α 相形貌大体一致，合金经炉冷（图2c）处理后，组织中初生α相尺寸与形貌明显增加，同时发现，组织中次生α 相含量与尺寸增加明显，并有少量残余β相。

图2 经不同冷却方式处理后的微观组织

合金在加热过程中，组织中α 相向β 相转变，在保温过程中，组织逐渐稳定，在冷却过程中，组织中β相向α 相转变，形成次生α 相。当冷却方式为水冷时，此时冷却速度较快，形成过饱和固溶体，同时较快的冷却速度以及较大的过冷度会使得组织中发生马氏体相变，即形成α'相。当冷却方式为空冷时，此时冷却速度同样较快，但过冷度较小，无法发生马氏体相变，此处组织中只发生β 相→α 相转变。当冷却方式为炉冷时，因为其冷却速度十分缓慢，与空冷一致，组织中只发生β 相→α 相转变，但较慢的冷却速度会使组织中α相不断粗化长大。

3 力学性能

对经不同冷却方式处理后的合金进行拉伸性能测试，具体结果如图3所示，可以发现，三种冷却方式中，合金经水冷处理后的强度最大，其次是空冷，最后是炉冷。在塑性方面，其趋势与强度相反，合金经炉冷处理后，塑性最佳，其次是空冷、水冷。

图3 经不同冷却方式处理后的力学性能

微观组织是影响合金拉伸性能的主要因素，合金经水冷处理后，组织中存在大量条状与球状α 相，且析出大量十分细小的α'相，当合金进行拉伸时，大量α'相会导致位错发生聚集，从而形成位错塞积，使得合金难以发生变形，此时合金强度较高。当合金经空冷处理后，其微观形貌与水冷接近，但此时组织并无α'相，只有细小的次生α 相，由于α'相强度较α相要高，导致合金强度下降。当合金经炉冷处理后，组织以大量等轴状α相为主，因为等轴状α相对塑性变形起到促进作用，进而导致经炉冷处理后的合金强度较低，塑性较高。

4 结论

1）合金经三种冷却方式处理后，水冷与空冷的微观组织较为接近，而炉冷的组织粗化明显；

2）合金经水冷处理后，组织中析出α'相，经空冷与炉冷处理后，并无α'相析出；

3）合金经水冷处理后，合金强度最大，其次为空冷、炉冷，塑性趋势与强度相反。