热处理工艺对国产 Ti-6AI-4V 锻坯微观组织及力学性能的影响规律研究

一、研究目的

针对航空工业对国产 Ti-6Al-4V 钛合金性能稳定性提出的更高要求，本文系统比较了两种国内厂家锻坯（I、II）在“退火"和“固溶+时效"两种典型热处理制度下的微观组织演变与力学性能差异，旨在为实际生产中的热处理工艺优化提供数据支撑和理论依据。

二、试验方案

1. 原材料

• 规格：350 mm×120 mm×120 mm 锻件；

• 化学成分：两家 Al 6.29/6.41 %、V 4.25/4.23 %，其余杂质含量相近但 II 的 Fe、O 略高。

2. 热变形

• 双锥镦粗：950 °C/1 h 保温→一次镦粗至 30 mm，获得径向梯度变形（中部 ε≈70 %，边部 ε≈30 %）。

3. 热处理制度

• 退火：730 °C×2 h AC；

• 固溶时效：950 °C×1 h WQ + 680 °C×4 h AC。

4. 表征方法

• OM、SEM：α 相形貌、β 转变组织含量；

• 室温拉伸：Φ5 mm 标准圆棒，ε̇=1×10⁻³ s⁻¹；

• 断口观察：韧窝、解理及裂纹扩展特征。

三、组织演变（按状态展开）

1. 锻态

锻坯 I

– 动态再结晶，初生 α 相等轴均匀（≈20 µm）；

– β 转变组织体积分数高，呈典型双态组织（α+β）。

锻坯 II

– α 相尺寸略小但分布不均，中部仍保留部分扁平状；

– β 转变组织含量低，α/β 界面密度小。

2. 退火态（730 °C）

锻坯 I

– 退火温度低于再结晶温度，组织变化有限，仅 α 相等轴度轻微提高；

– β 相分布基本不变。

锻坯 II

– 储存能较高，730 °C 下回复与球化显著，中部扁平 α 相消失；

– 整体均匀性大幅提升，β 相弥散度增加。

3. 固溶时效态

两锻坯

– 初生 α 相部分溶解→β 相增加；

– 时效析出细针状次生 α_s，厚度 50–200 nm，长度 1–3 µm；

差异

– 锻坯 II 次生 α_s 体积分数高 8–10 %，片层更细；

– β 相晶粒尺寸 I≈8 µm，II≈5 µm，Hall–Petch 强化贡献更大。

四、力学性能（取中部平均值）

变化规律

• 退火后：I 强度微升（+8/+5 MPa），塑性↑；II 强度提升明显（+25/+29 MPa），塑性略降。

• 固溶时效后：两锻坯强度均再提升 30–40 MPa；II 因细晶+高次生 α_s 强化，最终 σ_b 反超 I 5 MPa，且保持 δ≈15 %，强塑匹配最佳。

五、断口特征

• 锻态 I：平整，浅韧窝→低塑性；II：深韧窝→高韧性。

• 退火态：I 韧窝加深且均匀；II 韧窝变浅，出现局部撕裂脊。

• 固溶时效：两锻坯韧窝尺寸进一步减小，但数量密度高，呈现均匀微孔聚集型韧性断裂，塑性差异缩小。

六、结论与建议

1. 不同厂家 Ti-6Al-4V 对同一热处理制度响应差异显著，最佳工艺必须“因料制宜"。

2. 锻坯 I 初始组织已较均匀，退火即可满足一般航空锻件要求；若追求极限强度，可采用“950 °C/1 h WQ + 680 °C/4 h AC"。

3. 锻坯 II 初始均匀性较差，730 °C 退火可显著改善组织；若继续固溶时效，可获得更高强度（σ_b≈1047 MPa）且塑性损失甚微，适用于高载荷主承力件。

4. 生产现场应建立“化学成分-初始组织-热处理窗口"数据库，实现锻坯批次差异化热处理，确保国产 Ti-6Al-4V 力学性能的稳定与提升。