熱處理工藝對TA5鈦合金棒材顯微組織及性能的影響

沈立華 ，朱寶輝，馬 超，劉彥昌，王培軍，劉守田，王 益，姜 韜

(寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

TA5是一種α型鈦合金，除含有4%的Al元素外，還加入了0.005%的B元素，這樣可細化晶粒并提高彈性模量。此合金強度中等，塑性較差，焊接性能和耐腐蝕性良好，可制作成板材、棒材和鍛件，是海洋環境下理想的結構材料。目前已廣泛應用于制備船舶制造業的各類機械部件[1-3],也應用于制造各類兵器[4]。

國內關于TA5鈦合金板材加工工藝、熱處理工藝的研究報道較多，而對該合金棒材熱處理工藝的研究報道較少。因此本實驗通過對TA5鈦合金棒材進行不同工藝的熱處理，研究了熱處理工藝對TA5鈦合金棒材組織與力學性能的影響規律，希望對后續材料加工及該合金的應用推廣提供一定的參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗所用棒材是用經由三次真空自耗熔煉的φ600 mm TA5鈦合金鑄錠加工而成的。鑄錠相變點為(995±5)℃,Al含量為4.2%,B含量為0.004 3%，雜質元素含量符合GB/T 3620.1—2007標準要求。棒材加工過程分為兩個階段：第一階段為開坯和中間鍛造，將鑄錠在1 150 ℃保溫4.5～5.5 h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(960±10)℃，保溫4～4.5 h后，進行變形量為75%左右的兩次拔長鍛造，制成φ120 mm鍛坯料；第二階段為徑向鍛造，在(950±10)℃下，采用SXP-13徑向鍛造機進行變形量為85%左右的徑向鍛造，鍛后棒材直徑為45 mm。

1.2 實驗方案

采用箱式電阻爐(控溫精度為±1 ℃)，對TA5鈦合金棒材進行退火熱處理：①不同退火溫度，分別在600、650、700、750、800 ℃，保溫1 h，空冷，優選出最佳退火溫度；②不同保溫時間，退火溫度依據第1步優選，保溫時間分別為30、60、90、120、150 min，空冷。

在棒材1/2半徑處沿縱向切取試樣，按照GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗法》，采用INSTRON 4505萬能試驗機測定拉伸性能；按照GB/T5168《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》，采用Leica MM-6金相顯微鏡觀察顯微組織；按GB/T229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》，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 熱處理溫度對顯微組織與力學性能的影響

2.1.1 熱處理溫度對力學性能的影響

圖1為TA5鈦合金棒材經不同溫度熱處理后的力學性能。從圖1中可以看出，熱處理溫度對TA5鈦合金棒材強度和塑性的影響較大。隨著熱處理溫度的升高，抗拉強度和屈服強度明顯呈現下降趨勢，特別是熱處理溫度超過750 ℃后強度下降現象更加明顯；而延伸率和斷面收縮率與強度出現相反的變化趨勢，呈現上升趨勢。當熱處理溫度在700 ℃時延伸率超過13%，斷面收縮率超過42%。由圖1曲線分析，TA5鈦合金棒材熱處理溫度在700～750 ℃之間時，棒材的強度和塑性達到較好的匹配。

圖1 熱處理溫度對TA5鈦合金棒材力學性能的影響Fig.1 Effect of annealing temperature on mechanical properties of TA5 alloy bar

2.1.2 熱處理溫度對顯微組織的影響

圖2為TA5鈦合金棒材鍛造態及經不同溫度退火后的顯微組織。由圖2a可以看出，棒材鍛造態顯微組織為均勻細小的等軸α組織，說明棒材在相變點以下的鍛造變形較為充分。經600 ℃退火熱處理后，其顯微組織(圖2b)與鍛造態顯微組織并無明顯差異，但熱處理溫度超過再結晶溫度以后，隨著溫度的升高，顯微組織中等軸α相開始逐漸長大，當溫度升高至750 ℃時，等軸α相(圖2e)明顯長大，當溫度升高至800 ℃后，形成粗大的等軸組織(圖2f)，并明顯有晶界出現，晶界寬度雖然很小，但晶內已可以看到有少量析出物。隨著熱處理溫度不斷升高，TA5鈦合金棒材組織中α相進一步球化，組織會更加均勻，殘余應力得到進一步釋放，棒材的強度會有所下降，塑性會提高，這與圖1中的性能曲線是一致的。

圖2 TA5鈦合金棒材鍛造態及經不同溫度退火后的顯微組織Fig.2 Metallographs of TA5 alloy bars at as-forged condition and different annealing temperaptures

2.1.3 熱處理溫度對沖擊韌性的影響

表2為TA5鈦合金棒材經不同工藝熱處理后的沖擊韌性。由表2可以看出，800 ℃下熱處理的TA5鈦合金棒材的沖擊韌性高出600 ℃熱處理的棒材36%左右，高出700 ℃熱處理棒材16%左右。從3種熱處理工藝得到的棒材沖擊韌性數據能夠看出，隨著熱處理溫度的升高TA5鈦合金棒材的沖擊韌性出現明顯上升趨勢。表2中3種熱處理工藝所對應的微觀組織分別為圖2中b、d、f。圖2b、d組織為均勻細小的等軸α組織，這種組織強度、塑性相對匹配較好，但抗裂紋擴展能力較差,沖擊性能明顯要低于其它組織(除魏氏組織)，這與表2和圖1曲線結果相對應。圖2f為較粗大的等軸α組織，這種組織對裂紋擴展有明顯的阻礙作用，沖擊性能較好，但材料的塑性較差[5-7]。

表2 不同熱處理工藝對TA5鈦合金棒材沖擊韌性的影響Table 2 Effect of annealing process on impact toughness of TA5 alloy bars

2.2 保溫時間對顯微組織與力學性能的影響

2.2.1 熱處理保溫時間對顯微組織的影響

由圖1可以看出，當退火溫度在700～750 ℃時TA5鈦合金棒材的強度和塑性達到較好的匹配。由此選擇720 ℃作為熱處理溫度，在該溫度下進行保溫時間分別為30、60、90、120、150 min的退火熱處理,處理后的顯微組織見圖3。

從圖3可以看出，保溫時間為30 min，棒材顯微組織與鍛造態相比無明顯變化；保溫時間為60 min時,α相出現球化，組織均勻性較好；保溫時間為120 min時，α相出現長大的趨勢；當保溫時間延長至150 min時,α相已明顯長大。從不同時間退火后的顯微組織看，較佳的退火時間為60～90 min。

對比圖2和圖3可以看出，熱處理溫度對TA5鈦合金棒材顯微組織的影響較大，而保溫時間對顯微組織的影響較小。

2.2.2 熱處理保溫時間對力學性能的影響

圖4為TA5鈦合金棒材在720 ℃下分別進行保溫時間為30、60、90、120、150 min退火熱處理后的力學性能。從圖4中可以看出，隨著保溫時間的延長，TA5鈦合金棒材的強度呈下降趨勢，而延伸率和斷面收縮率曲線呈上升趨勢。當熱處理保溫時間在60～90 min時，棒材的強度及塑性相對匹配較好。

圖4 不同保溫時間對TA5鈦合金棒材力學性能的影響Fig.4 Effect of holding time on mechanical properties of TA5 alloy bars

雖然從圖4曲線可以看出,TA5鈦合金棒材強度和塑性隨保溫時間的延長分別出現下降和上升趨勢，但變化幅度與圖1相比要小。保溫時間由30 min 延長至150 min時,強度變化范圍在60 MPa以內，說明保溫時間對TA5鈦合金棒材強度的影響小于熱處理溫度。

3 結 論

(1)TA5鈦合金棒材的較佳退火溫度為700～750 ℃，較佳保溫時間為60～90 min。

(2)TA5鈦合金棒材退火溫度在700～750 ℃，保溫時間在60～90 min之間時，強度、塑性及沖擊性能達到較好的匹配，其抗拉強度在740 MPa左右，屈服強度在595 MPa左右，延伸率在14%左右，沖擊韌性在65 J/cm2左右。

(3)退火處理保溫時間對TA5鈦合金棒材的強度、塑性和顯微組織的影響小于退火溫度的影響。

[1] 何書林，馮永琦，王永強，等.TA5鈦合金組織對鍛件性能的影響 [J]. 金屬學報,2002，38(9)：204-205.

[2] 稀有金屬材料加工手冊編寫組.稀有金屬材料加工手冊[M].北京:冶金工業出版社,1984：471-479.

[3] 孫建科.我國船用鈦合金研究、應用于發展[J]. 金屬學報,2002,38(9):33-36.

[4] 劉興合．TA5鈦合金切削特性分析[J]. 艦船光學，2004,40(3)：46-48.

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[6] 張寶昌.有色金屬及其熱處理[M].西安:西北工業大學出版社,1993：46.

[7] 李東，鄧炬，于振濤.熱處理工藝對TA17合金棒材組織的影響[J].材料熱處理技術，2008,37(6):59-61.