軋制工藝對BTi—6431S鈦合金薄板組織和性能的影響

王新等

摘 要：采用兩種軋制工藝制備了BTi-6431S鈦合金2.0mm厚板材，對比研究了兩種不同工藝對板材的顯微組織和室溫以及650°C、700°C和750°C高溫力學性能的影響。結果表明，兩種工藝軋制的板材，其顯微組織均為兩相區加工組織，組織無明顯差別；成品火次軋制溫度較高時，板材的室溫及650°C高溫抗拉強度均比成品火次軋制溫度低的高約20～55MPa，延伸率則變化不大；兩種不同工藝軋制的板材，其700°C和750°C的高溫強度及塑性差別不明顯；采用成品火次軋制溫度較高的軋制工藝，可獲得組織均勻、細小，且室溫和高溫力學性能均滿足技術指標要求的板材。

關鍵詞：BTi-6431S鈦合金；軋制工藝；組織；性能

BTi-6431S鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-3Nb-3Mo-1W-0.2Si，是由寶鈦集團有限公司自主研發的一種新型α+β型短時熱強高溫鈦合金。該合金具有良好的室溫強度、加工塑性和焊接性能，且在高溫下顯示出更高的瞬時強度以及大載荷持久和蠕變的良好匹配，與在400℃以下廣泛使用的TC4鈦合金相比，其高溫蠕變性能、強度及使用溫度進一步提高，在航空航天領域有著巨大的應用潛力，可用于制作650～700°C下短時應用的結構件[1，2]。該合金主要通過添加α穩定元素Al和β穩定元素Nb、Mo和W進行強化，以改善其工藝性能。合金的Al當量為8.9，Mo當量為4.6，屬于高鋁當量馬氏體型兩相鈦合金，具有良好的熱強性和可焊性，并具有較好的工藝塑性。

該合金自研制成功以來，在合金流變應力行為、超塑成型工藝及厚板研制等方面已開展了大量的研究工作[3-6]，但尚未見薄板研制相關報道。文章通過改變軋制工藝，對比研究不同工藝對板材顯微組織、室溫及高溫力學性能的影響，進一步優化軋制工藝，為該合金板材的工業化生產提供理論和參考依據。

1 實驗材料

試驗用鑄錠由寶雞鈦業股份有限公司研制，鑄錠規格Φ518mm，單重800kg，在真空自耗電弧熔煉爐（VAR）中經2次真空熔煉而成，α+β/β轉變溫度為1020～1030°C。鑄錠經開坯后鍛成143mm×504mm×822mm的板坯，板坯在1200mm可逆式熱軋機上經5火次軋至2mm×1000mm×2000mm成品板材。采用的軋制工藝如下：

工藝1：相變點以上軋制1火次，相變點以下軋制3火次，成品火次軋制溫度為900～950°C；工藝2：除成品火次軋制溫度為960～1000°C外，其余火次與工藝1相同。

2 實驗方法

板材軋制完成后進行退火處理。在退火后的板材本體上切取橫向試樣，分別進行顯微組織觀察和室溫、650°C、700°C和750°C高溫力學性能測試。顯微組織觀察在金相顯微鏡（Axiovert 200mat）上進行，金相腐蝕劑采用配比為HF：HNO3：H2O=1：3：9（體積比）的侵蝕液腐蝕。室溫拉伸試驗按GB/T 3621-2007標準在INSTTON5885電子萬能材料實驗機上進行；高溫拉伸試驗按GB/T 4338-2006標準在WDW-3200電子萬能試驗機上進行。

3 結果與討論

3.1 軋制工藝對板材顯微組織的影響

圖1所示為采用不同工藝軋制的板材的顯微組織照片。由圖可以看出，采用兩種不同工藝軋制的板材，其組織均為α+β兩相區加工組織，組織較細小，且等軸α相均勻分布在β轉變基體上。兩種不同工藝軋制的板材，其顯微組織差別很小。這是因為BTi-6431S鈦合金板坯經相變點以上1火次及相變點以下3火次軋制后，由于變形充分，晶粒已完全破碎。雖然成品火次軋制溫度不同，但對板材顯微組織影響很小。

3.2 軋制工藝對板材力學性能的影響

表1和表2所示為板材室溫和高溫力學性能測試結果。由表1中數據可知，兩種工藝軋制的板材的室溫和650°C高溫力學性能均較高，其中采用工藝2軋制的板材，其室溫和650°C抗拉強度均比采用工藝1軋制的板材高20～55MPa，而延伸率則變化不大。

由表2中數據可以看出，采用兩種工藝軋制的板材，其700°C和750°C的高溫拉伸性能較為接近，而延伸率均較高。不同軋制工藝對BTi-6431S鈦合金薄板的700°C和750°C高溫力學性能影響不大。

鈦合金的性能是由其組織決定的，合金中初生α相主要對塑性起作用[7]。由于工藝2的成品火次軋制溫度比工藝1的軋制溫度高20°C，采用工藝2制備的板材，其顯微組織中等軸α相的含量比采用工藝1制備的板材少，因此其室溫和650°C抗拉強度顯著增大，而屈服強度和延伸率變化不明顯。由表1和表2中數據還可看出，采用成品火次軋制溫度較高的工藝，能夠獲得組織均勻、細小，且室溫和高溫力學性能優異BTi-6431S鈦合金薄板。

4 結束語

（1）采用兩種不同工藝軋制的BTi-6431S鈦合金2.0mm厚板材，其顯微組織均為兩相區加工組織，不同軋制工藝對板材顯微組織的影響不明顯；（2）成品火次軋制溫度較高的板材，其室溫和650°C高溫抗拉強度均比成品火次軋制溫度低的板材高20～55MPa，延伸率變化不明顯；兩種軋制工藝對板材700°C和750°C的高溫力學性能影響不大；（3）采用成品火次軋制溫度較高的軋制工藝，可獲得組織均勻、細小，且室溫和高溫力學性能均能優異的板材。

參考文獻

[1]王小翔，王韋琪，馬鴻海.700°C時高溫高強BTi-6431S合金的組織與力學性能[J].中國有色金屬學報，2010，20（1）：792-795.

[2]楊偉，王儉，王紅武，等.熱加工工藝對BTi6431S鈦合金厚板組織與性能的影響[J].中國有色金屬學報，2010，20（S1）：104-106.

[3]陳偉，陳明和，王輝.BTi-6431S高溫鈦合金盒形件超塑成形工藝[J].機械工程材料，2008，32（6）：40-43.

[4]肖寧斌，陳明和，曹亞強.不同溫度和應變速率下BTi-6431S新型鈦合金流變應力行為[J].南京航空航天大學學報，2012，44（S）：121-123.

[5]肖寧斌.BTi-6431S鈦合金板材熱成形性能評價研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.1.

[6]張文婧，宋曉云，惠松驍，等.單級退火對BTi-6431S合金組織和力學性能的影響[J].中國有色金屬學報，2013，23（6）：1530-1535.

[7]張利軍，田軍強，周中波，等.熱處理制度對TC21鈦合金鍛件組織及力學性能的影響[J].中國材料進展，2009，28（9/10）：84-87.