热处理对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金组织和性能的影响

Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金是一种Ti-Al-Nb-Zr系中强高韧近α钛合金，具有密度小、比强度高、无磁、透声、抗冲击、可加工性好、耐海水腐蚀等优异的综合性能，在海洋和舰船领域得到高度重视和广泛应用，可用于潜艇和水中兵器的受力结构件，螺栓、轴、烟囱、桅杆以及耐压壳体等，是我国舰船未来发展的关键材料。

Ti-6321钛合金棒材对热处理工艺比较敏感，现有的Ti-6321钛合金热处理研究仅局限于普通退火或形变热处理，对热处理方式的系统性研究不足。科研人员进行了普通退火、固溶处理、β热处理、固溶时效、等温退火和双重退火等热处理工艺方法研究，并对比分析了不同热处理工艺对棒材组织和性能的影响关系，充分挖掘合金综合性能，为选取合适的热处理方式提供依据。

试验材料为Φ45mm的Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金棒材，金相法测得合金相变点为995℃，棒材的原始金相组织为典型的等轴组织。棒材使用保温精度±5℃的RX箱式电阻炉进行整体热处理，热处理后在棒材的D/4处取样并采用598X系列材料试验机进行性能测试。热处理工艺具体如下：

普通退火：800℃保温1.5h，空冷

固溶处理：960℃保温1.5h，空冷

β热处理：1020℃保温1.5h，空冷

固溶时效：970℃保温1.5h，水冷＋600℃保温4h，空冷

等温退火：970℃保温1.5h，炉冷到600℃保温2h，空冷

双重退火：970℃保温1.5h，空冷＋600℃保温2h，空冷

试验结果如下：

（1）经普通退火或等温退火后均获得等轴组织，普通退火后初生α相晶粒细小，棒材具有良好的强度和塑性，但冲击韧性较差；等温退火后初生α相有明显的长大趋势，棒材强度显著降低，但冲击韧性很高。

（2）固溶处理、固溶时效或双重退火后均获得双态组织，由于冷却条件不同，组织形貌有较大区别：固溶处理后次生α相呈片状析出，双重退火后次生α相厚度逐渐变粗，这两种热处理方式使得材料的冲击韧性都较高；固溶时效热处理后，在β相中弥散分布着细小的片状α相，对基体有着显著的强化效果，但冲击韧性最低。

（3）β热处理后获得魏氏组织，α相全部转化为原始β相，晶粒尺寸迅速长大，晶界内的新生α相呈平直的片状沿晶界向晶内发展，保持着原始α晶界，具有较高的冲击韧性，但塑性会显著降低。