熱處理工藝對Ti80合金棒材組織及性能的影響

侯 鵬，李進元，李 維，蒲 宣，王宏權，郭 征

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

隨著Ti80鈦合金在船舶、石油工業中的應用日益廣泛，其半成品的品種不斷增加（如棒材、板材、餅材和鍛件等），并且制造工藝也趨于多樣化。Ti80合金名義成分為Ti－6Al－3Nb－2Zr－Mo，是一種近α型鈦合金，靠α穩定元素（Al）、中性元素Zr和少量β穩定元素（Mo、Nb）來強化合金。其密度比鋼小56%，強度質量比比鋼提高約40%，由于具有比強度高、耐海水及其他介質腐蝕性能好、抗疲勞性能好、無低溫脆性、無磁、焊接性能優良等特點，與Ti－6Al－4v（ELI）相比，綜合性能更優，可用于制造高壓容器、深潛器的耐壓殼體、船舶焊接結構件等［1］。

該合金具有難變形、組織均勻性不易控制等特點［2］，因此造成了其力學性能不夠穩定，本文針對這一點對Ti80合金棒材進行不同熱處理工藝下組織和性能的研究，以獲得最佳組織和力學性能，為棒材等半成品的熱處理提供理論和實踐依據。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用三次真空自耗電弧爐熔煉的Ti80鈦合金鑄錠，錠型直徑為Φ720mm，其化學成分見表1。用金相法測定鑄錠的相變點為990 ℃～995 ℃，鑄錠開坯選用β相區溫度鍛造，經多火次的中間鍛造制成一定尺寸的坯料，最終在兩相區鍛制成棒材、餅材和鍛件。

1.2 實驗方法

對鍛件試樣進行以下4 種熱處理：①800 ℃／60 min，AC（即860 ℃保溫60 min，空冷）；②825 ℃／60 min，AC；③850 ℃／60 min，AC；④900 ℃／60 min，AC。用金相顯微鏡觀察金相組織，并進行SEM 分析。對試樣進行室溫力學性能分析。

表1 Ti80合金的化學成分（質量分數） %

2 結果和分析

2.1 顯微組織

圖1為Ti80多規格成品試樣經825℃／60min熱處理后的高倍照片。從圖1中可以看出，顯微組織為初生α相和條狀β 轉變組織構成的等軸組織，即α 等初＋β轉變組織。α 相呈橢球狀和短條狀，大小均勻，其中Φ14.5規格棒材組織中α初含量在60%左右，其余規格棒材α初含量在70%左右，均勻分布于β轉變基體上。經其他溫度熱處理后的顯微組織形貌和尺寸與圖1相近。

圖1 Ti80不同規格棒材及鍛件的顯微組織

2.2 棒材的力學性能

2.2.1 不同熱處理制度對棒材組織和性能的影響

棒材Φ14.5 不同熱處理制度下的室溫力學性能隨退火溫度變化曲線如圖2 所示。對Φ14.5 mm 棒材，采用了以下4種熱處理工藝：①800 ℃／60min，空冷；②825 ℃／60min，空冷；③850 ℃／60min，空冷；④900 ℃／60min，空冷。由圖2 可知，不同熱處理棒材性能存在一定差異，800 ℃退火處理后的棒材抗拉強度最高、屈服強度最低，塑性較差；850 ℃退火處理后的棒材強度較低、塑性最差；900 ℃退火處理后的棒材抗拉強度最低、屈服強度最高，塑性最高；825 ℃退火處理后的棒材可以保證強度和塑性的最佳配合。探傷結果均滿足相關協議標準A1級探傷要求。

圖2 Φ14.5棒材的力學性能隨退火溫度變化曲線

2.2.2 棒材熱處理工藝與沖擊韌性的關系

圖3是Ti80合金Φ14.5、Φ52、Φ100三種規格棒材不同退火溫度下的沖擊值比較。由圖3 可見，在800 ℃退火時，Φ14.5棒材沖擊值基本處于臨界值，隨著退火溫度的升高，沖擊值逐漸提高，當溫度升至900℃時，沖擊值升高較明顯。Ti80在300℃以下能保證組織的長期穩定性［3］，所以，經退火的Ti80合金零件能滿足艦船耐壓殼體使用環境要求。

圖3 不同規格棒材沖擊韌性隨退火溫度變化曲線

3 結論

通過4種溫度熱處理工藝的室溫力學性能數據分析，可以得出以下初步結論：

（1）同一規格Ti80合金棒材，在800 ℃～900 ℃退火，隨著溫度的升高，抗拉強度逐漸降低，屈服強度逐漸升高。但在800 ℃～850 ℃塑性指標變化不明顯，當溫度升至900 ℃時，斷面收縮率、延伸率和和沖擊值均明顯升高。

（2）對相同材料、相同規格、采用相同的鍛造工藝方法、不同的熱處理規范，所得到的力學性能有所不同，特別是沖擊值αKV。因此對棒材要求的側重點不同（如對抗拉強度要求高或對沖擊要求高），應采用相應的鍛造工藝及熱處理規范。

（3）Ti80合金經常規鍛造后顯微組織為等軸組織，α等軸含量約60%～70%（質量分數），等軸α呈橢球狀和短條狀。

（4）Ti80合金選擇退火溫度為825 ℃，保溫1h～2h，AC熱處理制度，可以保證合金強度和塑性的最佳配合。

［1］ 陳軍，趙永慶，常輝.中國船用鈦合金的研究和發展［J］.材料導報，2005（6）：67－70.

［2］ 李梁，宋德軍.Ti80合金熱壓縮變形組織與加工圖［J］.中國有色金屬學報，2010（10）：738－742.

［3］ 張奕.庾高峰.杜予晅.等.鍛造工藝對Ti－6321合金棒材顯微組織與力學性能的影響［J］.鈦工業進展，2010（6）：34－35.