TA10鈦合金板材的熱處理工藝研究

葛 偉，鄧寧嘉，丁春聰，陳 陽，徐國俊

(南京寶泰特種材料股份有限公司，江蘇 南京 211100)

TA10鈦合金板材的熱處理工藝研究

葛 偉，鄧寧嘉，丁春聰，陳 陽，徐國俊

(南京寶泰特種材料股份有限公司，江蘇 南京 211100)

為了使熱軋TA10鈦合金板材的塑性指標能夠滿足后續爆炸復合工藝的要求，對3 mm厚熱軋TA10鈦合金板材進行了不同溫度和不同保溫時間的退火熱處理，研究退火溫度和保溫時間對其組織和力學性能的影響。結果表明，熱軋態TA10鈦合金板材經(700～750)℃ ×(30～60)min/AC熱處理后可以得到較為均勻的等軸α相組織和較好的綜合力學性能，滿足爆炸復合用鈦板的使用要求。

TA10鈦合金;熱處理;顯微組織;力學性能

0 引言

鈦作為一種耐蝕結構材料，廣泛應用于航空航天、石油化工、制鹽、印染、制藥、食品、海水淡化等領域［1］，但是在高溫、高濃度的氯化物中，純鈦會發生縫隙腐蝕，影響使用壽命。為了解決純鈦在高溫、高濃度氯化物中的縫隙腐蝕問題，人們研制了一種新型鈦合金——Ti-0.2Pd合金。該合金在還原性介質和熱濃氯化物中具有抗局部腐蝕的能力［2］，但由于添加有貴金屬鈀，成本較高，使其應用受到了限制。20世紀70年代中期，美國鈦金屬公司研制了Ti-0.3Mo-0.8Ni合金。該合金為近α型鈦合金，在高溫、高濃度氯化物中具有良好的抗縫隙腐蝕能力，可以部分取代成本較高的Ti-0.2Pd合金［3－4］，已被美國、英國、俄羅斯、日本、法國、德國等國家列入了國家標準，并投入工業化生產。20世紀80年代，我國開始對Ti-0.3Mo-0.8Ni合金進行材料加工和應用方面的研究，也將其列入我國國家標準(對應我國牌號TA10)，并在純鈦可能出現縫隙腐蝕的環境中得到了應用［5－6］。如1985年3月首次應用于湘澧鹽礦真空制鹽的一效加熱室［7］，1986年4月應用于塘沽鹽場氯化鎂蒸發罐的加熱室［8－9］。

南京寶泰特種材料公司承接了國外某鉀肥工程生產裝置用鈦鋼復合材料的訂單。該復合材料覆層為3 mm厚的TA10鈦合金板材。根據GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》標準，常規板材需滿足A類要求，斷后伸長率達到18%即可，而后續用于爆炸焊接的板材需滿足B類要求，斷后伸長率應達到25%以上。為保證爆炸復合工藝對鈦合金板材塑性的要求，可采用硬度低的0級海綿鈦作為原料生產板材，以達到后續工序對塑性指標的要求，但這樣勢必會增加原材料的成本。本實驗采用2級海綿鈦作為原料制備TA10鈦合金板材，通過研究不同熱處理制度對TA10鈦合金板材組織和性能的影響，探尋合適的熱處理制度，以期獲得塑性指標能夠滿足后續爆炸復合工藝要求的TA10鈦合金板材。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用2級海綿鈦、鎳－鉬中間合金，經過兩次真空自耗熔煉制備直徑為560 mm的TA10鈦合金鑄錠，其化學成分見表1。

表1 TA10鈦合金鑄錠化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA10 alloy ingot

鑄錠經鍛造開坯、銑面、修磨等工序制成熱軋板坯，再在1680軋機上經兩火軋制成3.0 mm厚的板材。圖1為軋制態TA10鈦合金板材的金相照片，其組織為極細的條帶狀軋制態變形組織。表2為軋制態TA10鈦合金板材的室溫力學性能。

表2 軋制態TA10鈦合金板材室溫力學性能Table 2 Room-temperature mechanical properties of the rolled TA10 alloy sheets

1.2 熱處理

熱處理試驗采用SX2-2.5-10型電阻爐，溫度誤差±5℃。TA10鈦合金為近α型合金，冷卻速度對其組織和性能影響不大，退火溫度一般應選擇在α+β/β相變點以下120～200℃［10］。因此，在3.0 mm厚熱軋TA10鈦合金板材上切取熱處理試樣，進行不同溫度退火處理，退火溫度分別為550、600、650、700、750、800℃，保溫時間均為30 min，冷卻方式為空冷。在退火后的板材上取樣，進行顯微組織觀察和力學性能測試，探尋合適的退火溫度。在優選的退火溫度下，進行不同保溫時間的退火處理，保溫時間分別為15、30、60、120、180 min。取樣觀察不同時間退火后板材的顯微組織并測試力學性能，最終獲得合適的熱處理制度。

2 結果與討論

2.1 熱處理溫度對板材組織和力學性能的影響

圖1 軋制態TA10鈦合金板材的金相照片(400×)Fig.1 Microstructure of the rolled TA10 alloy sheet

表3 不同溫度退火后TA10鈦合金板材的室溫力學性能Table 3 Room-temperature mechanical properties of TA10 sheets annealed at different tempertures

圖2 不同溫度退火后TA10鈦合金的板材顯微組(400×)Fig.2 Microstructures of the TA10 alloy sheets annealed at different temperatures

TA10鈦合金熱軋板材經不同溫度保溫30 min并空冷的退火處理后的室溫力學性能及顯微組織見表3和圖2。由表3可見，TA10鈦合金板材經550℃ ×30 min/AC退火處理后，由加工硬化引起的強度高和塑性較差的現象并未得到消除;在550～650℃之間，隨著熱處理溫度的升高，板材的加工硬化現象逐漸得到消除，抗拉強度逐漸降低，塑性略有提高;在650～700℃之間，熱軋板材的強度幾乎不變，而塑性顯著提高;在750～800℃之間，熱軋板材的抗拉強度仍保持不變，而斷后伸長率卻在減小，板材塑性變差。由圖2可以看出，TA10鈦合金板材在700℃以下主要發生回復過程，組織為條帶狀的軋制變形組織，當熱處理溫度的升高至700℃時，發生再結晶形核和晶粒長大。熱處理溫度為750℃時，再結晶基本完成，絕大部分組織為較細小的等軸α相，但仍有少量的條帶狀變形組織。當熱處理溫度達到800℃時，部分晶粒發生異常長大，組織較為粗大。因此，為保證TA10鈦合金熱軋板材能夠滿足后序的爆炸復合工序對板材塑性的要求，合適的熱處理溫度應在700～750℃之間選擇。

2.2 保溫時間對板材組織和力學性能的影響

根據熱處理溫度實驗選定熱處理溫度為750℃，在此溫度下進行的不同保溫時間熱處理后板材的力學性能見表4，顯微組織見圖3。

由表4可以看出，當加熱溫度為750℃時，隨著保溫時間的延長，TA10鈦合金板材的抗拉強度變化不大，在5～10 MPa以內，保溫時間在15～60 min區間內，板材斷后伸長率隨保溫時間延長顯著變大，塑性變好;而當保溫時間超過60 min后，板材斷后伸長率有較明顯的降低，塑性逐漸變差。由圖3可以看出，TA10鈦合金板材在750℃下分別經過15、30、60、120、180 min退火處理后，組織由最初的條帶狀軋制變形組織逐漸發生再結晶形核和晶粒長大，當保溫時間為30 min時，再結晶基本完成(見圖3b)，當保溫時間達到60 min時，再結晶全部完成，組織為細小且均勻的等軸α相(見圖3c)。隨著保溫時間的繼續延長，變形織構等阻礙晶粒長大因素的消除，少數特殊晶界迅速遷移［11］，部分再結晶晶粒出現異常長大，組織逐漸粗大。

表4 不同時間退火后TA10鈦合金板材的室溫力學性能Table 4 Room-temperature mechanical properties of TA10 alloy sheets annealed with different time

圖3 TA10鈦合金板材在750℃下經過不同時間退火后的顯微組織(400×)Fig.3 Microstructures of the TA10 alloy sheets annealed with different time at 750℃

綜上所述，TA10鈦合金軋制板材退火處理需要達到一定溫度方能有效地進行回復，獲得較好的組織和性能。如在750℃退火處理時可獲得等軸狀α組織及較好塑性，當溫度繼續升高時強度上升，延伸率下降。TA10鈦合金板材退火處理時還應控制好保溫時間，否則由于再結晶晶粒的長大，會影響材料的塑性。

3 結論

(1)熱處理溫度達到600℃時，TA10鈦合金板材組織可以得到較好回復，但塑性較差。若需獲得較好的塑性，滿足爆炸復合用鈦板的使用要求，則需進行較高溫度(700～750℃)的熱處理。

(2)熱處理溫度一定時，保溫時間對TA10鈦合金板材的強度影響不大，但對塑性影響顯著。

(3)對于3 mm厚TA10鈦合金熱軋板材，經過(700～750)℃ ×(30～60)min/AC退火處理后，可以獲得較為均勻的等軸α相和較好的綜合力學性能，滿足爆炸復合用鈦板的使用要求。

［1］稀有金屬加工手冊編寫組.稀有金屬加工手冊［M］.北京:冶金工業出版社，1980.

［2］邵錫宸，張乃新.鈦鎳鉬合金在某些介質中的耐蝕性能［J］.江蘇化工，1989(2):49－51.

［3］李佐臣.國外Ti-0.3Mo-0.8Ni合金的研究、生產與應用［J］.稀有金屬材料與工程，1984，13(5):75－81.

［4］高捷，余存燁.鈦鉬鎳合金在石化工業中的應用［J］.鈦工業進展，1996，13(6):51－54.

［5］楊同年.生產燒堿用Ti-0.3Mo-0.8Ni熱交換器［J］.鈦工業進展，1994，11(3):16－17.

［6］余存燁.Ti-0.8Ni-0.3Mo合金氫化腐蝕探析［J］.稀有金屬材料與工程，1991，20(3):73－77.

［7］王毅剛.湘澧鹽礦的科技進步［J］.鹽業史研究，1999(3):102－104.

［8］李佐臣.用鈦鉬鎳合金制造氯化鎂蒸發罐加熱室［J］.稀有金屬材料與工程，1991，20(1):15－18.

［9］孫德起.鈦鉬鎳合金在氯化鎂加熱室的應用［J］.稀有金屬材料與工程，1987，16(5):135－137.

［10］潘建生，徐躍明.熱處理技術手冊［M］.北京:化學工業出版社，2009:641－650.

［11］胡賡祥.材料科學基礎［M］.上海:上海交通大學出版社，2011:180－182.

Study on Heat Treatment System of TA10 Alloy Sheet

Ge Wei，Deng Ningjia，Ding Chuncong，Chen Yang，Xu Guojun
(Nanjing Baotai Special Material Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China)

In order to meet the ductility requirements of hot rolled TA10 titanium sheet for subsequent explosive cladding process，the TA10 alloy sheets were annealed with different temperature and different holding time.And the influences of annealing temperature and holding time on the microstructure and mechanical properties were studied.The results show that，the hot rolled TA10 alloy sheets can obtain more uniform equiaxed αphase and good comprehensive mechanical properties after heat treatment of(700～750)℃ ×(30～60)min/AC，can meet the requirements of explosive cladding plate.

TA10 alloy;heat treatment;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.008

2015－04－12

葛偉(1968—)，男，工程師。