冷變形量及熱處理對BTi-421111鈦合金薄板組織和性能的影響

朱 曄 ，王 新,2

(1.寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014)(2.寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

冷變形量及熱處理對BTi-421111鈦合金薄板組織和性能的影響

朱 曄1，王 新1,2

(1.寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014)(2.寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

BTi-421111鈦合金是一種低成本中強鈦合金，通過研究BTi-421111鈦合金薄板冷軋變形量、退火溫度等工藝參數對室溫力學性能和顯微組織的影響，探討了BTi-421111鈦合金薄板冷變形特點及組織性能的變化規律，確定了BTi-421111鈦合金最佳的退火溫度。研究結果表明：BTi-421111鈦合金板材具有較好的冷變形能力，合理的變形量為30%左右，此時板材的抗拉強度為1 140 MPa，延伸率為11%，強度-塑性匹配良好；最佳退火溫度為780～810 ℃。

BTi-421111鈦合金；冷變形量；熱處理制度；力學性能；顯微組織

0 引 言

BTi-421111鈦合金的名義成分為Ti-4Al-2Zr-1Sn-1Mo-1V-1Cr，是我國自主研發的新型低成本中強鈦合金。其主要的強化機制是α穩定元素Al的固溶強化和多元復合強化，另外加入了中性元素Zr和Sn以及β相穩定元素Mo、V、Cr，以改善工藝性能[1]。該合金中Al的質量分數為5.7%，Mo的質量分數為3.4%，屬于α+β型鈦合金，其強度與TC4和TA15鈦合金相當，且加工性能優異。

BTi-421111鈦合金是高爾夫球桿等民用領域的理想選材，其半成品類型有薄板、鍛棒、軋棒等。本實驗研究了冷軋變形量、退火溫度等工藝參數對BTi-421111鈦合金薄板顯微組織和室溫力學性能的影響，旨在為該合金薄板的工業化批量生產提供技術參考。

1 實 驗

實驗用BTi-421111鈦合金鑄錠是經二次真空自耗電弧熔煉得到的，其β轉變溫度為980～990 ℃，化學成分符合表1中的要求。鑄錠經β相區開坯、多火次中間鍛造后，最終在α+β相區制備成板坯。板坯在β轉變溫度以上20～100 ℃熱軋開坯，再在β轉變溫度以下30～100 ℃軋至1.5 mm左右，經過中間退火、酸洗和修磨后，按照5%、10%、15%、20%、30%、40%的變形量冷軋至一定厚度，截取縱向試樣在Axiovert 200MAT光學顯微鏡上觀察其顯微組織，截取橫向試樣在Instron 5885拉伸實驗機上測試其室溫力學性能，并選出力學性能最佳時的冷變形量；采用優選的變形量將板材冷軋至厚度為1.1mm，在720、750、780、810、840 ℃保溫30 min后空冷，對退火后板材縱向的顯微組織和橫向的室溫力學性能進行檢測，優選出力學性能最佳時的熱處理工藝參數。

表1 BTi-421111鈦合金鑄錠化學成分的要求(w/%)

2 結果與討論

2.1 冷變形量對薄板組織和性能的影響

圖1為BTi-421111鈦合金板材經不同變形量冷軋變形后橫向的力學性能。從圖中可以看出，隨著冷軋變形量的增大，板材呈現出明顯的加工硬化現象，即強度隨著變形量的增大逐漸增大，延伸率隨變形量增大逐漸減小。當冷軋變形量增大到40%時，板材的抗拉強度達到1 180 MPa，而延伸率只有9%，此時工藝塑性較差，在板材軋制后的表面上局部有目視可見的裂紋，且邊部開裂及頭部掉渣的現象嚴重。而冷變形量為30%時，板材的抗拉強度為1 140 MPa，延伸率為11%。與冷變形量為40%的板材性能相比，變形量為30%的板材的強度與塑性匹配良好，強度降低不明顯，但延伸率和工藝加工塑性明顯改善，軋后板材表面質量良好。因此，可以判定BTi-421111鈦合金板材的極限冷軋變形量為40%，批量生產中該合金的冷軋變形量以30%為宜。

圖1 不同變形量冷軋后BTi-421111鈦合金板材的力學性能Fig.1 Mechanical properties of BTi-421111 titanium alloy sheets after different cold deformation

圖2為熱軋態和不同冷軋變形量的BTi-421111鈦合金板材的縱向顯微組織。

圖2 不同變形量冷軋后BTi-421111鈦合金板材的顯微組織Fig.2 Microstrucures of BTi-421111 titanium alloy sheets after different cold deformation

由圖2a可以看出，厚度為1.5 mm的熱軋板材的顯微組織基本為均勻的α+β轉組織，其中等軸α相的含量相對較高，這是因為板材在α+β兩相區變形時變形溫度合理、變形量充分，且熱軋過程是一個動態回復和再結晶的過程，其加工硬化程度不高。冷變形量為10%時的顯微組織見圖2b，從圖2b可以看出，與熱軋坯料比較，板材縱向顯微組織變化不大，僅是局部的晶粒拉長，這是由于該變形量基本在金屬的臨界變形量范圍內，合金在局部發生了偏聚[2]。從圖2c、d和e可以看出，當變形量進一步增大時，顯微組織逐漸變為扁平狀，并不斷拉長，這與其它鈦合金的變形有著相同的規律。

2.2 退火溫度對薄板組織和性能的影響

冷變形量為30%的BTi-421111鈦合金板材經不同溫度退火后橫向的力學性能如圖3所示，縱向的顯微組織如圖4所示。

圖3 不同溫度退火后BTi-421111鈦合金板材的力學性能Fig.3 Mechanical properties of BTi-421111 titanium alloy sheets annealed at different temperaures

由圖3可以看出，冷變形量為30%的BTi-421111鈦合金板材在720～840 ℃溫度區間退火，當溫度不高于780 ℃時，合金的強度變化不大，保持在1 010～1 030 MPa之間；當溫度高于780 ℃時，隨著退火溫度升高，其強度遞增趨勢明顯，在1 010～1 150 MPa，退火溫度為840 ℃時，抗拉強度最高。當退火溫度為780 ℃時，其延伸率也出現拐點，即呈現先增大后降低的趨勢，延伸率總體保持在14%～17.5%；當退火溫度為780 ℃時，合金的延伸率最大，可達17.5%。為兼顧合金的綜合性能，確定BTi-421111鈦合金板材的最佳退火溫度為780～810 ℃。在該溫度下退火，板材的強度和塑性匹配良好。

由圖4a可以看出，冷軋態板材的顯微組織為纖維狀，其α相為拉長的條狀。由圖4b～f可見，板材在720～840 ℃溫度區間退火后，板材顯微組織形貌基本相同，α相和β相比例相當。但隨著退火溫度的升高，晶粒尺寸逐漸增大，α相的這種長大趨勢較β相明顯，且α相的形狀由條狀逐漸向球狀轉變[3]。這是由于BTi-421111鈦合金在這個溫度區間主要是α相發生再結晶，且隨著退火溫度升高，合金的再結晶進行地更加充分。也正是由于這種顯微組織的變化引起了合金性能的變化。

圖4 不同溫度退火后BTi-421111鈦合金板材的顯微組織Fig.4 Microstrucures of BTi-421111 titanium alloy sheets annealed at different temperatures

3 結 論

(1)BTi-421111鈦合金薄板的冷軋變形量應控制在30%左右為宜，此時，冷軋態板材的抗拉強度為1 140 MPa，延伸率為11%，強度-塑性匹配良好。

(2)BTi-421111鈦合金薄板合理的退火溫度為780～810 ℃，在該溫度區間，板材顯微組織均為細小的等軸組織，強度和塑性匹配良好。

[1] 高原，徐晉勇，高清，等. 雙層輝光離子滲金屬技術特點[J]. 中國工程科學, 2008, 10(2): 26-30.

[2] 王金友，葛志明，周彥邦.航空用鈦合金[M]. 上海：上海科學技術出版社，1985.

[3] 王小翔，楊偉，王儉，等. 中間β處理對Ti-51111S合金板材組織與性能的影響[C]//中國有色金屬學會第十二屆材料科學與合金加工學術年會論文集.北京：中國有色金屬學會，2007:143-146.

Effects of Cold Deformation and Heat Treatment on Microstructure and Properties of BTi-421111 Titanium Alloy Sheet

Zhu Ye1,Wang Xin1,2

(1.Baoji Titanium Industry Co., Ltd., Baoji 721014, China) (2.Baoti Group Co., Ltd.,Baoji 721014, China)

BTi-421111 is a kind of low-cost and moderate-strength titanium alloy. The effects of cold rolling reduction, annealing temperature on mechanical property and microstructure at room temperature was investigated in this paper. The cold deformation character and the structure evolution law of BTi-421111 titanium alloy sheets have been summarized. It is found that BTi-421111 has the good perfomrance of cold deformation. The reasonable deformation is approx. 30%.The tensile strength is 1 140 MPa and elongation is 11%. The strength and ductility has good match.The optimal heat treatment is 780～810 ℃.

BTi-421111 titanium alloy;cold deformation;heat treatment;mechanical properties;microstructure

2013-06-24

朱曄(1978—)，男，工程師。