Page 31 - 理化检验-物理分册2021年第三期
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李 笑, 等: Ti-6Al-4V 合金厚板固溶时效热处理工艺的正交试验优化

            舰船、 兵器、 化工、 医疗等领域          [ 1-2 ] 。在航空、 航天工
            业中, Ti-6Al-4V 合金板材是成熟应用于飞机和发
            动机的主要结构材料之一, 可以减轻质 量、 优化结
            构、 降低飞行成本, 因此已逐渐替代钢、 镍基合金成
            为某些大型结构件的材料。 Ti-6Al-4V 合金厚板通
            常在普通退火状态下使用, 随着材料加工技术的发

            展和 为 满 足 结 构 件 成 型 使 用 的 要 求, 美 国 SAE

            AMS4904C : 2015Titanium Allo ySheet , Stri p ,
                                                                       图 1 Ti-6Al-4V 合金厚板的显微组织形貌

            and Plate 6Al-4V Solution Heat Treated and
                                                                Fi g  1 Microstructuremor p holo gy ofTi-6Al-4Vallo y thickp late
            A g ed 中规定了 Ti-6Al-4V 合金厚板须固溶时效热
                                                               表 1 所示, 其中因素水平用 1 , 2 , 3 , 4 表示, 因素用
            处理 后 交 付, 并 对 板 材 力 学 性 能 提 出 了 更 高 的
                                                               A , B , C , D 表 示; 正 交 试 验 方 案 如 表 2 所 示, 其 中
            要求   [ 3 ] 。
                                                               AC 为空冷, WC 为水冷。
                 通过对热处理参数选择过程中引入正交试验,
                                                                            表 1  正交试验因素及水平
            从多因素、 多水平入手, 挑出部分有代表性的影响因





                                                                       Tab 1 Factorsandlevelsofortho g onaltest
            素进行试验, 根据试验因素、 因素水平及是否有交互
                                                                 因素        A        B         C        D
            等需求查找相应的正交点, 挑选有代表性的影响因
                                                                 水平    固溶温度 / ℃   冷却方式    时效温度 / ℃ 时效时间 / h
            素进行试验即可实现以最少的试验次数达到全面试                                1       900      空冷        500       2
            验的效果     [ 4 ] 。为找出 Ti-6Al-4V 合金厚板最佳固溶                2       920      水冷        550       4
            时效参数、 降低检验成本, 笔者确定了固溶温度、 冷
                                                                  3       940       -        600       6
            却方 式、 时 效 温 度、 时 效 时 间 4 个 因 素, 采 用
                                                                  4       960       -        650       8
            L16 ( 4 ) 正交表 4 因素、 4 水平的 16 组热处理工艺
                  4
            进行试验, 以力学性能作为考核指标得到最佳的热                           1.3  力学性能测试

            处理参数, 为 Ti-6Al-4V 合金厚板整体热处理工艺                          在δ35 mm 厚 板 上 截 取 块 状 试 样, 按 照 SAE

            的确定提供依据。                                           AMS4904C : 2015 的技术要求, 将热处理后的试样

                                                               加工成满足 ASTM E8 / E8M-2015StandardTest
            1  试验材料及方法
                                                              Methods f orTensionTestin g o fMetallicMaterials

            1.1  试验材料                                          要求的规格为 12.5mm 的标准试样, 在电子万能
                                                                           ϕ
                 试验材料为经 3 次真空自耗电弧炉熔炼制备的                        拉伸试验机上进行室温拉伸性能测试, 其纵、 横向室



            Ti-6Al-4V 合金铸锭, 规格为 720mm , 铸锭经           β 相      温拉伸性能应满足 SAE AMS4904C : 2015 规定的
                                      ϕ

                               两 相 区 锻 造, 得 到 厚 度 δ 为                                                      不
            锻造 开 坯 和 α+ β                                      抗拉强度 R m    不小于 1000 MPa 、 屈服强度 R p 0.2

            250mm 的板 坯, 然 后 在 两 相 区 轧 制 成 厚 度 δ 为              小于 931MPa 、 断后伸长率 A 不小于 10% 、 断面收
            35mm 的 板 材, 其 化 学 成 分 中 铝 元 素 的 含 量 为              缩率 Z 不小于 25% 的要求。

            6.46%~6.50% ( 质 量 分 数, 下 同), 钒 元 素 含 量 为          2  试验结果与分析
            4.19%~4.22% , 铁元素含量为 0.17%~0.19% , 氧
            元 素 含 量 为 0.16% ~0.18% , 氢 元 素 含 量 为              2.1  正交试验结果

            0.003% , 其余为钛元素, 相变点为1000~1010℃ 。                      各试验因素对 Ti-6Al-4V 合金热轧厚板横、 纵
            板材的显微组织由等轴和拉长的 α相及部分                      相转       向室温拉伸强度和塑性的影响如表 3 所示。
                                                    β
            变组织组成, 无完整的原始            β 相晶界, 其显微组织形                 根据正交试验原理, 极差越大表明该因素对试
            貌如图 1 所示。                                          验结果的影响越大。由表 3 分析可知, 在试验条件
            1.2  试验方法                                          范围内, 各因素对板材横、 纵向室温拉伸强度影响从
                 采用 L16 ( 4 ) 正交试验研究固溶温度、 冷却方                  大到小的顺序均为冷却方式、 时效温度、 时效时间、
                           4
            式、 时效温度、 时效时间等 4 个因素对 Ti-6Al-4V 合                  固溶温度, 冷却方式和时效温度的影响较大, 固溶温
            金热轧厚板强度和塑性的影响。试验因素及水平如                             度和时效时间的影响较小; 各因素下板材横、 纵向室
                                                                                                         1 5
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