退火溫度對Ti80合金棒材組織與性能的影響

引言

Ti80合金是我國自行研制的875MPa級耐蝕可焊結構鈦合金，相當于國外的Ti-6Al-12Nb-lTa-0.8Mo合金[1]，其名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-lMo,是一種鋁含量較高（5.5%?6.5%，質量分數）并含有β穩定元素Nb、Mo和中性元素Zr的近α型鈦合金[2]。該合金具有高的比強度、良好的塑性、優良的耐蝕性及良好的焊接性等優點，被廣泛應用于潛艇、艦船[3]。而當潛艇、艦船等在海水中服役時，會受到海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，需要承受大的沖擊載荷作用[4]。因此，為了保證Ti80合金材料的使用安全性，其強度、塑性和沖擊軔性需達到良好匹配。目前國內學者已對Ti80合金進行了一些相關研究，但主要集中在對Ti80合金棒材鍛造工藝、管材以及板材熱處理工藝上[1-2]，而關于退火溫度對Ti80合金棒材組織和性能影響的研究相對較少。

本研究則通過對比分析不同退火溫度對Ti80合金棒材組織以及性能的影響，以期探究其中的影響規律，找到使Ti80合金棒材獲得最佳強度、塑性和沖擊軔性匹配的退火溫度，為Ti80合金棒材的批量化生產以及在海洋工程中的推廣應用提供一定的技術參考。

1、實驗

實驗原料為經真空自耗電弧爐3次熔煉而成的φ600mmTi80合金鑄錠，化學成分見表1。升溫金相法測得α+β/β相變溫度為1005℃。首先將Ti80合金鑄錠在1150℃保溫4.5?5.5h后，采用16MN快速液壓鍛造機進行變形量為88%左右的四鐓四拔開坯鍛造，然后用箱式電阻爐加熱至相變點以下30?50℃進行多火次鐓拔鍛造，最終鍛至φ165mm棒坯。在棒坯上切取φ165mm×20mm的圓片5件，其中1件用于熱加工態取樣，其余4件分別在箱式電阻爐（控溫精度為±1中進行熱處理試驗。熱處理工藝分別為650、700、750、800T保溫1h后空冷。

在經4種不同退火工藝處理后的圓片和熱加工態圓片上分別取弦向力學性能試樣和沖擊試樣，利用鉬絲線切割在圓片1/2半徑處切取φ15mm的橫向金相試樣。然后按照GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用INSTR0N4505萬能試驗機測試拉伸性能；按照GB/T5168—2008《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》，采用LeicaMM-6金相顯微鏡進行顯微組織觀察；按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用JB-S300A擺錘式沖擊試驗機測定試樣沖擊性能。

2、結果與分析

2.1退火溫度對顯微組織的影響

圖1為Ti80合金棒材熱加工態及不同溫度退火后的金相照片。由圖la可知，熱加工態Ti80合金棒材組織為兩相區鍛造組織，為均勻的等軸組織。而經650T熱處理后，其顯微組織（圖1b)與熱加工態(圖1a)相比較基本沒有變化。隨著退火溫度的逐漸升高，初生《相數量有所減少，次生《條明顯出現析出長大現象（圖1d、1e)，特別是從圖1d中可以明顯看出次生α條大量析出。圖1e中，次生α相數量較圖Id有所增加，球狀α相更加粗大。從圖lb?le可以發現，隨著退火溫度的升高，組織中次生α相增加。

2.2退火溫度對室溫拉伸性能的影響

表2為Ti80合金棒材經不同溫度熱處理后的室溫拉伸性能。從表2可以看出，熱處理溫度對Ti80合金棒材強度的影響并不明顯，熱加工態抗拉強度平均值為910MPa,8001熱處理后的抗拉強度平均值為893MPa,抗拉強度平均值相差僅為17MPa,屈服強度平均值相差也僅為9MPa。此外，經650?8001熱處理后，Ti80合金棒材的強度數據波動較小，性能較為穩定。

從表2還可以看出，熱處理溫度對Ti80合金棒材延伸率和斷面收縮率的影響較大。當熱處理溫度為6501時，棒材的延伸率與熱加工態相比較相差較小，且均不滿足協議指標要求，這是由于性能與組織有密切關系，組織決定性能，而兩者的組織較為接近（圖1a、1b)。當退火溫度為7001時，延伸率測試值分別為13.5%、14.0%，滿足協議指標要求；當退火溫度為750?800T時，熱處理后棒材延伸率基本穩定在15%左右，斷面收縮率穩定在54%左右，比650T熱處理棒材的延伸率高出24.5%、斷面收縮率高出10.5%。

對圖1b?1e中的顯微組織變化分析可知，隨著熱處理溫度的不斷升高，Ti80合金棒材顯微組織中α相形貌不斷變化，初生α相和次生α相均逐漸球化，組織更加均勻，殘余應力得到進一步釋放，棒材強度有所下降，塑性提高。這與表2中700?8001之間Ti80合金棒材室溫拉伸性能變化趨勢是一致的。

2.3退火溫度對沖擊韌性的影響

表3為Ti80合金棒材經不同溫度熱處理后沖擊軔性的測試值及平均值。從表中可以看出，經過800T熱處理后Ti80合金棒材的沖擊軔性較650T熱處理后高出18%左右，較7001熱處理后高出15.7%左右，較750T熱處理后高出9%左右。此外，還可以發現，隨著熱處理溫度的升高，沖擊軔性平均值呈現明顯上升趨勢。

結合圖1d、le，隨著退火溫度的升高，初生α相數量有所減少，出現球化長大趨勢，次生《相呈條狀析出。當顯微組織中α相含量較少時，棒材的沖擊軔性較高，這與沖擊微裂紋的形核位置主要集中于初生α相界和α與P相界相關[3]。此外，較粗大的等軸α組織對裂紋擴展有明顯的阻礙作用[5]，次生《相含量越高、越粗大，相應的沖擊軔性越高[6]。

3、結論

(1)隨著退火溫度的升高，Ti80合金棒材組織中次生α相數量增加，且退火溫度對其強度的影響要小于對延伸率、斷面收縮率及沖擊軔性的影響。

(2)當退火溫度控制在700?800T之間時，Ti80合金棒材的強度、塑性及沖擊性能可以達到較好的匹配，其抗拉強度約為900MPa,屈服強度約為835MPa,延伸率約為14%，沖擊軔性約為64J/cm2，棒材的各項性能指標均滿足協議指標要求。

參考文獻

[1]蔣鵬，孟憲亮，劉茵琪，等.Ti80合金鍛造工藝對顯微組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2005,34(增刊3):286-288.

[2]王巧莉，代春，成小麗.退火溫度對Ti80合金擠壓管材組織與性能的影響[J].中國有色金屬學報，2010,20(專輯1):631-633.

[3]羅錦華，朱燕麗，孫小平，等.熱加工及熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業進展，2016,33(2)：20-24.

[4]朱銘泳，張日恒.船用鈦合金微弧氧化一電泳技術研究[J].鈦工業進展，2015,32(3):30-34.

[5]沈立華，朱寶輝，馬超，等.熱處理工藝對TA5鈦合金棒材顯微組織及性能的影響[J].鈦工業進展，2014,31(2)：20-23.

[6]于衛敏，吳躍江，潘躍進.鍛造溫度對BT25鈦合金組織和性能的影響[J].熱處理，2009,24(4):36-40.