鍛造工藝對Ti-30Zr-5Al-3V合金顯微組織及性能的影響研究

文／李瑞鋒，張智鑫，楊慧麗，張偉，李巍，何書林·寶雞鈦業股份有限公司

本文研究了經不同鍛造工藝鍛制的Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材的四類顯微組織：魏氏組織、網籃組織、雙態組織和等軸組織。通過相同的熱處理工藝處理后，研究不同顯微組織對應的室溫和400℃高溫性能。研究結果表明：添加30%的Zr元素不會影響兩相鈦合金的相組成，通過適當的工藝可以獲得魏氏、網籃、雙態和等軸四類兩相鈦合金典型的組織類別；Ti-30Zr-5Al-3V合金的室溫強度約在1100MPa以上，但延伸率很低，只有10%左右；Ti-30Zr-5Al-3V合金的400℃高溫強度可達900MPa以上，延伸率在9%～16%，400℃高溫拉伸時的屈服強度約為700MPa。

鈦及鈦合金具有高強度、低密度和優異的抗腐蝕性能，在許多領域的應用極具吸引力。鋯屬于高熔點金屬，在地殼中含量約為0.025%，超過Ni、Zn、Sn、Cu、Co等工業上普遍使用的金屬。鋯材力學性能和工藝性能適合制造容器和換熱器，是化工行業中的重要結構材料。在鈦金屬中加入鋯可強化α相，加入量小于65.6%時起降低(α+β）/β相轉變溫度的作用。鋯在α鈦和β鈦中均有較大的固溶度，屬于無限固溶類的一類中性元素，鋯元素的添加使鈦的室溫抗拉強度升高，塑性下降。很多文獻書籍中已經介紹了Zr元素對鈦的影響，但加入量一般不大于15%。本文主要研究在鈦合金中加入30%的Zr元素后，不同的組織形態對其性能的影響。

實驗材料及方法

本實驗所用材料為經二次真空熔煉的Ti-30Zr-5Al-3V鈦合金鑄錠，鑄錠的化學成分如表1所示，鍛造工藝設計如表2所示。經四個不同工藝鍛制的φ100mm棒材機加、探傷切除缺陷后，切取橫向試樣。試樣進行700℃/1h·AC的普通退火后，進行室溫和400℃高溫力學性能檢測。棒材的實測相變點為855℃。

實驗結果及討論

在鈦合金特別是α+β雙相鈦合金中，可以觀察到各式各樣的組織，鈦合金的力學性能在很大程度上取決于這兩個相的比例、形態、尺寸和分布。目前，最典型且應用最廣泛的TC4鈦合金的四種典型組織對應的性能如表3所示。

表1 Ti-30Zr-5Al-3V合金鑄錠的化學成分(wt%)

表2 Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材鍛造工藝設計

表3 TC4典型組織的室溫力學性能

由表3可以看出，不同的顯微組織對TC4的室溫性能有很大的影響。隨著α相尺寸的減小，棒材的強度有所降低，延伸率顯著提高。許多研究者認為，復雜合金化鈦合金的強化水平是由加入的各種元素產生的強化疊加起來的，由此，通過計算可得TC4合金中Al強度當量為9.8，Mo強度當量為2.4，計算強度約為940MPa，這與其真實值基本相當。對于Ti-30Zr-5Al-3V合金，按名義成分進行計算，Al強度當量為15，Mo強度當量為1.76，進而計算出該合金的強度值約為1220MPa。相關學者研究發現：鈦鋯合金相對于純鋯和純鈦，合金熔點降低了，耐腐蝕性變強了，并且由于鈦鋯合金具有更細小的顯微組織，其強度和塑性都比純鋯和純鈦高。

通過表2設計的鍛造工藝，獲得了Ti-30Zr-5Al-3V合金的四類典型組織：魏氏組織、網籃組織、雙態組織和等軸組織。通過分析不同組織形貌對應的力學性能，積累Ti-30Zr-5Al-3V合金的性能特點。

不同鍛造工藝對顯微組織的影響

由圖1可以看出：添加了30%Zr的Ti-30Zr-5Al-3V合金屬于典型的α+β雙相鈦合金，其組織形貌與兩相鈦合金的組織類型一致，這與Zr元素是中性元素的結論是一致的。

1#工藝圖1(a）、1(b）為全β區變形組織，因此顯微組織可以清晰地看到原始β晶粒及三叉晶界，經700℃/1h·AC退火處理后晶粒內的α束集寬化，每個晶粒內的α束取向趨于一致且平直并列，有少量編織狀組織。由圖1(a）、1(b）對比可以看出：經1#工藝鍛制的棒材縱向α束集相對粗大，縱向α片層厚度約為5～8μm，橫向約為3～4μm。

2#工藝圖1(c）、1(d）為相變點附近變形組織，相變點上變形，α束集與晶界α相在壓應力作用下呈編織狀排布，無明顯原始β晶界，α條相對較短且相互交錯，呈網籃狀。由圖1(c）和1(d）對比可以看出：經2#工藝鍛制的棒材橫向編織狀網籃組織更細小。

圖1 Ti-30Zr-5Al-3V合金的不同鍛造工藝下的組織形貌

3#工藝圖1(e）、1(f）在相變點下有70%變形，初生α相沿晶界析出，呈等軸狀；次生α細小片層均勻分布在β轉變組織的基體上，初生α相含量約為40%。由圖1(e）和1(f）對比可以看出：經3#工藝鍛制的棒材橫向初生α相更細小，含量較多。

4#工藝圖1(g）、1(h）在相變點以下有70%變形，片層狀α完全球化，α晶粒整體呈球狀和棒狀，初生α相含量約為80%。由圖1(g）和1(h）對比可以看出：經4#工藝鍛制的棒材橫向α相更細小，含量較多。

不同鍛造工藝的力學性能對比

在經4種工藝鍛制的棒材上分別切取縱、橫向試樣統一進行700℃/1h·AC熱處理后，按GB/T 228.1-2010的試驗方法進行檢測，其中室溫力學性能結果如表4所示。

由表4可以看出：不同的組織類型對棒材的室溫力學性能影響很大，縱向的強度低于橫向，但延伸率則反之。其中魏氏組織的強度最高，可達1234MPa，延伸率最小，只有5%。等軸組織的強度最低，只有1105MPa，但延伸率可達12%。強度由高到低的排序為：魏氏組織＞網籃組織＞雙態組織＞等軸組織，延伸率由小到大的排序為：魏氏組織＜網籃組織＜雙態組織＜等軸組織。

由表5可以看出：經700℃熱處理后，四種組織對應的400℃高溫性能也有很大的差別，但室溫力學強度高的400℃高溫強度也高。魏氏組織的400℃高溫強度為1004MPa，而等軸組織的400℃高溫強度只有948MPa。由表4和表5的數據比對可知，室溫下Ti-30Zr-5Al-3V合金的抗拉強度與屈服強度值相差約為100MPa，但400℃時兩者的差值約為250MPa。

表4 Ti-30Zr-5Al-3V合金四種組織對應的室溫力學性能

表5 Ti-30Zr-5Al-3V合金四種組織對應的400℃高溫力學性能

結論

通過研究Ti-30Zr-5Al-3V兩相鈦合金的組織及性能特點，可以得出以下結論：⑴添加30%的Zr元素不會影響兩相鈦合金的相組成，通過適當的工藝可以獲得魏氏、網籃、雙態和等軸四類兩相鈦合金典型的組織類別；⑵Ti-30Zr-5Al-3V合金的室溫抗拉強度在1100MPa以上，但延伸率很低，只有10%左右；⑶Ti-30Zr-5Al-3V合金的400℃高溫抗拉強度可達900MPa以上，延伸率在9%～16%，400℃高溫拉伸時的屈服強度約為700MPa。