退火溫度對(duì)Ti80合金棒材組織與性能的影響

沈立華，劉彥昌，李修勇，朱寶輝，胡曉晨，胡革全，陳睿博

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

Ti80合金是我國(guó)自行研制的875 MPa級(jí)耐蝕可焊結(jié)構(gòu)鈦合金，相當(dāng)于國(guó)外的Ti-6Al-12Nb-1Ta-0.8Mo合金[1]，其名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，是一種鋁含量較高(5.5% ～6.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))并含有β穩(wěn)定元素Nb、Mo和中性元素Zr的近α型鈦合金[2]。該合金具有高的比強(qiáng)度、良好的塑性、優(yōu)良的耐蝕性及良好的焊接性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于潛艇、艦船[3]。而當(dāng)潛艇、艦船等在海水中服役時(shí)，會(huì)受到海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，需要承受大的沖擊載荷作用[4]。因此，為了保證Ti80合金材料的使用安全性，其強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性需達(dá)到良好匹配。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)Ti80合金進(jìn)行了一些相關(guān)研究，但主要集中在對(duì)Ti80合金棒材鍛造工藝、管材以及板材熱處理工藝上[1-2]，而關(guān)于退火溫度對(duì)Ti80合金棒材組織和性能影響的研究相對(duì)較少。

本研究則通過對(duì)比分析不同退火溫度對(duì)Ti80合金棒材組織以及性能的影響，以期探究其中的影響規(guī)律，找到使Ti80合金棒材獲得最佳強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性匹配的退火溫度，為Ti80合金棒材的批量化生產(chǎn)以及在海洋工程中的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料為經(jīng)真空自耗電弧爐3次熔煉而成的φ600 mm Ti80合金鑄錠，化學(xué)成分見表1。升溫金相法測(cè)得(α+β)/β相變溫度為1 005 ℃。首先將Ti80合金鑄錠在1 150 ℃保溫4.5～5.5 h后，采用16MN快速液壓鍛造機(jī)進(jìn)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相變點(diǎn)以下30～50 ℃進(jìn)行多火次鐓拔鍛造，最終鍛至φ165 mm棒坯。在棒坯上切取φ165 mm×20 mm的圓片5件，其中1件用于熱加工態(tài)取樣，其余4件分別在箱式電阻爐(控溫精度為±1 ℃)中進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。熱處理工藝分別為650、700、750、800 ℃保溫1 h后空冷。

表1 Ti80合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

在經(jīng)4種不同退火工藝處理后的圓片和熱加工態(tài)圓片上分別取弦向力學(xué)性能試樣和沖擊試樣，利用鉬絲線切割在圓片1/2半徑處切取φ15 mm的橫向金相試樣。然后按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，采用INSTRON 4505萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)煨阅埽话凑誈B/T 5168—2008《α-β鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》，采用Leica MM-6金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察；按照GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，采用JB-S300A擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣沖擊性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 退火溫度對(duì)顯微組織的影響

圖1為Ti80合金棒材熱加工態(tài)及不同溫度退火后的金相照片。由圖1a可知，熱加工態(tài)Ti80合金棒材組織為兩相區(qū)鍛造組織，為均勻的等軸組織。而經(jīng)650 ℃熱處理后，其顯微組織(圖1b)與熱加工態(tài)(圖1a)相比較基本沒有變化。隨著退火溫度的逐漸升高，初生α相數(shù)量有所減少，次生α條明顯出現(xiàn)析出長(zhǎng)大現(xiàn)象(圖1d、1e)，特別是從圖1d中可以明顯看出次生α條大量析出。圖1e 中，次生α相數(shù)量較圖1d有所增加，球狀α相更加粗大。從圖1b～1e可以發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的升高，組織中次生α相增加。

2.2 退火溫度對(duì)室溫拉伸性能的影響

圖1 Ti80合金棒材熱加工態(tài)及不同溫度退火后的顯微組織Fig.1 Microstructures of Ti80 alloy bars at hot working state and after different annealing temperatures：(a)hot working state； (b)650 ℃；(c)700 ℃；(d)750 ℃；(e)800 ℃

表2為Ti80合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后的室溫拉伸性能。從表2可以看出，熱處理溫度對(duì)Ti80合金棒材強(qiáng)度的影響并不明顯，熱加工態(tài)抗拉強(qiáng)度平均值為910 MPa，800 ℃熱處理后的抗拉強(qiáng)度平均值為893 MPa，抗拉強(qiáng)度平均值相差僅為17 MPa，屈服強(qiáng)度平均值相差也僅為9 MPa。此外，經(jīng)650～800 ℃熱處理后，Ti80合金棒材的強(qiáng)度數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，性能較為穩(wěn)定。

從表2還可以看出，熱處理溫度對(duì)Ti80合金棒材延伸率和斷面收縮率的影響較大。當(dāng)熱處理溫度為650 ℃時(shí)，棒材的延伸率與熱加工態(tài)相比較相差較小，且均不滿足協(xié)議指標(biāo)要求，這是由于性能與組織有密切關(guān)系，組織決定性能，而兩者的組織較為接近(圖1a、1b)。當(dāng)退火溫度為700 ℃時(shí)，延伸率測(cè)試值分別為13.5%、14.0%，滿足協(xié)議指標(biāo)要求；當(dāng)退火溫度為750～800 ℃時(shí)，熱處理后棒材延伸率基本穩(wěn)定在15%左右，斷面收縮率穩(wěn)定在54%左右，比650 ℃熱處理棒材的延伸率高出24.5%、斷面收縮率高出10.5%。

表2 不同狀態(tài)下Ti80合金棒材的室溫拉伸性能

對(duì)圖1b～1e中的顯微組織變化分析可知，隨著熱處理溫度的不斷升高，Ti80合金棒材顯微組織中α相形貌不斷變化，初生α相和次生α相均逐漸球化，組織更加均勻，殘余應(yīng)力得到進(jìn)一步釋放，棒材強(qiáng)度有所下降，塑性提高。這與表2中700～800 ℃之間Ti80合金棒材室溫拉伸性能變化趨勢(shì)是一致的。

2.3 退火溫度對(duì)沖擊韌性的影響

表3為Ti80合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后沖擊韌性的測(cè)試值及平均值。從表中可以看出，經(jīng)過800 ℃熱處理后Ti80合金棒材的沖擊韌性較650 ℃熱處理后高出18%左右，較700 ℃熱處理后高出15.7%左右，較750 ℃熱處理后高出9%左右。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理溫度的升高，沖擊韌性平均值呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。

結(jié)合圖1d、1e，隨著退火溫度的升高，初生α相數(shù)量有所減少，出現(xiàn)球化長(zhǎng)大趨勢(shì)，次生α相呈條狀析出。當(dāng)顯微組織中α相含量較少時(shí)，棒材的沖擊韌性較高，這與沖擊微裂紋的形核位置主要集中于初生α相界和α與β相界相關(guān)[3]。此外，較粗大的等軸α組織對(duì)裂紋擴(kuò)展有明顯的阻礙作用[5]，次生α相含量越高、越粗大，相應(yīng)的沖擊韌性越高[6]。

表3 不同狀態(tài)下Ti80合金棒材的沖擊韌性(J/cm2)

3 結(jié) 論

(1)隨著退火溫度的升高，Ti80合金棒材組織中次生α相數(shù)量增加，且退火溫度對(duì)其強(qiáng)度的影響要小于對(duì)延伸率、斷面收縮率及沖擊韌性的影響。

(2)當(dāng)退火溫度控制在700～800 ℃之間時(shí)，Ti80合金棒材的強(qiáng)度、塑性及沖擊性能可以達(dá)到較好的匹配，其抗拉強(qiáng)度約為900 MPa，屈服強(qiáng)度約為835 MPa，延伸率約為14%，沖擊韌性約為64 J/cm2，棒材的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足協(xié)議指標(biāo)要求。

[1] 蔣鵬，孟憲亮，劉茵琪，等.Ti80合金鍛造工藝對(duì)顯微組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2005，34(增刊3)：286-288.

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[3] 羅錦華，朱燕麗，孫小平，等.熱加工及熱處理工藝對(duì)Ti80合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2016，33(2)：20-24.

[4] 朱銘泳，張日恒.船用鈦合金微弧氧化—電泳技術(shù)研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2015，32(3)：30-34.

[5] 沈立華，朱寶輝，馬超，等.熱處理工藝對(duì)TA5鈦合金棒材顯微組織及性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2014,31(2):20-23.

[6] 于衛(wèi)敏，吳躍江，潘躍進(jìn)．鍛造溫度對(duì)BT25鈦合金組織和性能的影響[J]．熱處理，2009，24(4)：36-40．