Ti-1300鈦合金擠壓管材組織性能研究

戚運(yùn)蓮 辛社偉 杜宇 曾立英 劉偉 孫花梅 譚偉力 謝翀博 孫寶紅

摘要：通過(guò)室溫拉伸測(cè)試和顯微組織觀察，研究了擠壓溫度和熱處理工藝對(duì)Ti-1300鈦合金擠壓管材顯微組織和力學(xué)性能的影響，討論了熱加工工藝、顯微組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明：Ti-1300鈦合金在兩相區(qū)擠壓后的橫向組織均勻細(xì)小，縱向組織沿?cái)D壓加工流線破碎均勻;其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1445MPa。管材在相變點(diǎn)以上的高溫固溶組織主要由等軸B相晶粒組成，具有較好的塑性。合金兩相區(qū)擠壓后具有較好的強(qiáng)度和塑性的匹配，兩相區(qū)擠壓的塑性明顯優(yōu)于β單相區(qū)擠壓，尤其面縮。試樣經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理后顯微組織明顯細(xì)化，強(qiáng)度大幅度提高，可達(dá)1300MPa以上。

關(guān)鍵詞：Ti-1300鈦合金;擠壓溫度;擠壓管材;熱處理;組織性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 146.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近β鈦合金是一種重要的結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度和較低的彈性模量，兼具高韌性、高疲勞極限和優(yōu)良的冷熱加工性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。目前，常見(jiàn)的β鈦合金有Ti-5553，Ti-1023和Ti-15-3等，Ti-5553合金現(xiàn)已應(yīng)用在波音787和A380空客飛機(jī)的機(jī)身起落架組件、機(jī)翼結(jié)構(gòu)等多種承力部件上，代替原有的Ti-1023鈦合金。

Ti-1300鈦合金是一種近β鈦合金，其β穩(wěn)定系數(shù)為1.25，鉬當(dāng)量為13.5，具有淬透性好，強(qiáng)化效應(yīng)顯著，以及強(qiáng)韌性匹配良好等特性，其綜合性能優(yōu)于Ti-5553和Ti-1023鈦合金，經(jīng)強(qiáng)韌化處理后其強(qiáng)度可達(dá)到1350MPa以上。目前，對(duì)該合金的報(bào)道主要集中在軋制棒材的研究，如對(duì)棒材熱變形和熱處理后的相結(jié)構(gòu)、組織性能等方面的研究。侯紅苗對(duì)擠壓態(tài)Ti-1300鈦合金管材高溫變形行為及本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。目前，對(duì)Ti-1300鈦合金管材加工參數(shù)及組織性能方面的研究報(bào)道較少。為了了解Ti-1300鈦合金的熱加工工藝與合金的組織、性能之間的關(guān)系，本文主要研究擠壓溫度和熱處理工藝對(duì)該合金熱擠壓管材的顯微組織與力學(xué)性能的影響，從而確定熱加工工藝參數(shù)與顯微組織之間的關(guān)系，獲得Ti-1300鈦合金合理的熱擠壓工藝和熱處理制度。

1試驗(yàn)材料和方法

采用真空自耗電弧爐將Ti-1300鈦合金熔煉3次，制備成直徑為460mm的鑄錠，經(jīng)B相區(qū)開(kāi)坯，沿軸向拔長(zhǎng)至方坯。Ti-1300鈦合金方坯在α+β相區(qū)進(jìn)行三鐓三拔后，在兩相區(qū)拔長(zhǎng)，滾圓，鍛造成直徑為105mm的合金棒材。管材采用鉆孔擠壓工藝制備而成，擠壓溫度為820和920℃，在2500t臥式擠壓機(jī)上，制備出的管材外徑x內(nèi)徑為45mmx9mm，并對(duì)內(nèi)外表面缺陷進(jìn)行修理。從擠壓管材上截取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織分析。對(duì)擠壓管材試樣在單相區(qū)和兩相區(qū)分別固溶，繼而進(jìn)行不同溫度的時(shí)效處理，然后進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和金相組織觀察。金相組織觀察樣品的腐蝕劑為10%HF+30%NO₃+60%H₂O（體積分?jǐn)?shù)）。拉伸試驗(yàn)在INSTRON1185萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行。金相分析在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡上進(jìn)行。采用金相分析法測(cè)得Ti-1300鈦合金的β相變點(diǎn)在（840±5）℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同擠壓溫度下管材顯微組織

圖1為T(mén)i-1300鈦合金分別在820和920℃擠壓溫度下的擠壓管材縱、橫截面的宏觀組織形貌圖。從圖1中可以看出，管材在820℃擠壓的橫截面組織（圖1a）較920℃擠壓時(shí)的（圖1c）均勻細(xì)小。920℃擠壓時(shí)，其橫截面組織較均勻，但晶粒較粗大?？v截面組織形貌表明：在820℃擠壓，加工流線明顯破碎（圖1b），在920℃擠壓，可以看到明顯的均勻拉長(zhǎng)的加工流線，擠壓流線沒(méi)有被破碎（圖1d）。

圖2為T(mén)i-1300鈦合金在820和920℃擠壓后管材的顯微組織圖。從圖2中可以看出，在920℃擠壓的顯微組織（圖2b）明顯比820℃的顯微組織粗大（圖2a）。相變點(diǎn)以上擠壓的壓力小，有利于擠壓進(jìn)行，但是高溫使得管材的組織長(zhǎng)大。

2.2 不同擠壓溫度下管材的力學(xué)性能

表1為T(mén)i-1300鈦合金在820和920℃擠壓后管材的力學(xué)性能。由表1可以看出，Ti-1300鈦合金在820℃擠壓，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1300MPa，伸長(zhǎng)率約為5%，斷面收縮率約為14%。在920℃擠壓，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1443MPa，但是920℃擠壓管材出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象。未經(jīng)過(guò)熱處理的Ti-1300鈦合金擠壓管材具有較高的強(qiáng)度和較低的塑性，主要是與其粗大的顯微組織有關(guān)。

2.3 不同固溶溫度下管材力學(xué)性能

表2和表3分別為T(mén)i-1300鈦合金在820和920℃擠壓管材經(jīng)過(guò)780，800和870℃固溶處理0.5h空冷（air cooling，AR）后的力學(xué)性能。與表1結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出，管材經(jīng)過(guò)固溶處理后，抗拉強(qiáng)度降低20%-30%，伸長(zhǎng)率提高12%-22%，斷面收縮率提高20%-50%。表2和表3的數(shù)據(jù)表明，隨著固溶溫度的升高，Ti-1300鈦合金擠壓管材強(qiáng)度降低，塑性提高，尤其在870℃的高溫固溶，兩種擠壓溫度下的力學(xué)性能相當(dāng)，均具有較好的塑性。這有利于后續(xù)的冷加工軋制。

綜上所述，經(jīng)過(guò)固溶處理后，管材強(qiáng)度降低，塑性提高，由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詳嗔选９倘芴幚砻黠@改變了Ti-1300鈦合金擠壓管材的力學(xué)性能。

2.4 不同固溶溫度下管材顯微組織

圖3為T(mén)i-1300鈦合金擠壓管材在不同溫度固溶處理后的顯微組織形貌圖。從圖3（a）和（b）中可以看出，780℃固溶處理后的顯微組織主要由大量的球狀或拉長(zhǎng)的α相以及殘留的亞穩(wěn)定β相組成。固溶溫度升高到870℃（圖3c和3d），α相逐漸溶解于亞穩(wěn)定的β相中，當(dāng)固溶溫度高于合金的相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，β單相區(qū)固溶的合金組織主要由等軸的β相晶粒組成，晶粒內(nèi)部無(wú)析出相，晶界明顯。

2.5 不同固溶時(shí)效下管材力學(xué)性能

表4為T(mén)i-1300鈦合金擠壓管材經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理后的力學(xué)性能結(jié)果。由表4可知，在780℃/1h/AC+570℃/4h/AC熱處理制度下，Ti-1300擠壓管材具有較高的抗拉強(qiáng)度，可高達(dá)1400MPa;當(dāng)固溶溫度降低20℃，時(shí)效溫度升高20℃，即在760℃/1h/AC+590℃/4h/AC進(jìn)行熱處理，管材具有較好的塑性。在相同的固溶時(shí)效制度下，820℃擠壓管材的強(qiáng)度塑性綜合力學(xué)性能優(yōu)于920℃擠壓。Ti-1300鈦合金擠壓管材經(jīng)過(guò)760℃/1h/AC+590℃/4h/AC熱處理，抗拉強(qiáng)度約為1300MPa，伸長(zhǎng)率約為15%，斷面收縮率大于40%。

圖4為T(mén)i-1300鈦合金在不同擠壓溫度下，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理（760℃/1h/AC+590℃/4h/AC）后的顯微組織圖。由圖4（a）可以看出，在820℃擠壓經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效空冷處理后，Ti-1300鈦合金中的α相的形貌和含量都發(fā)生了變化，初生α相（α_p）主要以板條形狀或片層狀存在，次生α相（α_s）以細(xì)針狀分布在β基體上，所以，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效后合金的顯微組織主要是由板條或片層α_p相、次生針狀α_s相和基體β相組成。這是因?yàn)棣料嗟奈龀鲞^(guò)程是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，形核的位置、形核數(shù)量、長(zhǎng)大速率與合金的成分及冷卻條件有關(guān)。在空冷過(guò)程中冷卻速度較慢，產(chǎn)生的過(guò)冷度較小，晶核首先在晶界形成，并在晶界區(qū)長(zhǎng)大成網(wǎng)狀晶界α，同時(shí)由晶界α向晶內(nèi)生長(zhǎng)，形成位相相同，并相互平行排列的長(zhǎng)條狀組織，稱為平行的α組織（圖4a）;而在相變點(diǎn)以上920℃擠壓，固溶時(shí)效空冷處理后組織中α_p板條厚度和長(zhǎng)度都比相變點(diǎn)以下820℃擠壓要大很多，板條α長(zhǎng)大成片層α（圖4b）。

2.6 擠壓管材斷口形貌分析

圖5為T(mén)i-1300鈦合金在不同擠壓溫度下，經(jīng)過(guò)760℃/1h/AC+590℃/4h/AC工藝固溶時(shí)效處理后，管材室溫拉伸試樣斷口的宏觀和微觀形貌圖。從宏觀斷口中可知（圖5a和5b），兩種擠壓溫度下的拉伸試樣斷口斷面凹凸不平，有明顯的頸縮現(xiàn)象，屬于典型的韌性斷裂。拉伸裂紋起源于試樣中間部位并向外圍擴(kuò)展，外圍相對(duì)比較平整。從微觀斷口形貌圖中可知，820℃擠壓的管材拉伸斷口（圖5c）具有較明顯的韌性斷裂特征，斷口韌窩較深較大而且韌窩均勻，合金具有較好的塑性。920℃擠壓的管材拉伸斷口表面較平坦，韌窩小而且較淺，具有混合型斷裂特征（圖5d）。

3結(jié)論

（1）Ti-1300鈦合金在單相區(qū)擠壓的壓力小有利于擠壓進(jìn)行，但是高溫?zé)岽偈构懿牡慕M織長(zhǎng)大。合金在兩相區(qū)擠壓管材的綜合力學(xué)性能優(yōu)于單相區(qū)擠壓。擠壓管材抗拉強(qiáng)度約為1300MPa，塑性約為15%，斷面收縮率大于40%。

（2）固溶處理對(duì)于i-1300鈦合金擠壓管材有較大影響，由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詳嗔?。在相變點(diǎn)以上的高溫固溶處理，使管材具有較好的塑性并有利于后續(xù)冷加工。