熱加工對β-CEZ鈦合金組織和力學性能的影響

戚運蓮，辛社偉，杜 宇，曾立英，劉 偉，孫花梅，譚偉力，謝翀博，孫寶紅

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引 言

β-CEZ是一種高合金化、高強度的亞穩近β型鈦合金，兼有α+β兩相合金和亞穩β相合金的性能特征，即固溶狀態具有良好的冷加工性能，固溶時效狀態下強度、塑性和斷裂韌性可實現良好匹配，且熱加工性能十分優異。β-CEZ 鈦合金被主要用于制造航空航天領域的壓氣機盤、導彈舵軸等大截面結構件[1-5]。在現有的鈦合金中，由于最初設計開發的應用目標不同，僅有少量β合金適于制備管材，且經熱處理后強度僅可以達到1 200 MPa左右。目前，一些國家的鈦及鈦合金無縫管制造技術已經比較成熟，而我國高強度鈦合金管材的研制仍處于起步階段[6-9]，關于β-CEZ鈦合金作為管材的應用更是鮮有報道。

管坯的制備方法主要有2種，鉆孔擠壓和斜軋穿孔[10-11]。斜軋穿孔法雖然金屬消耗量小，但是管坯的壁厚均勻性較差，會嚴重影響后續管材的軋制質量；鉆孔擠壓法雖然生產成本高，但制備的管坯壁厚均勻、組織性能較好，在擠壓變形后，金屬材料的晶粒更加細小均勻，還可以獲得較高的管材尺寸精度[12-15]。為此，本研究采用鉆孔擠壓法制備β-CEZ鈦合金管坯，分析擠壓溫度以及熱處理工藝對β-CEZ鈦合金擠壓管材顯微組織和力學性能的影響，旨在揭示熱加工工藝與合金顯微組織和力學性能之間的聯系規律，從而為該合金管材的批量穩定化生產提供理論指導。

1 實 驗

實驗用料為經三次真空自耗電弧熔煉的噸級β-CEZ鈦合金鑄錠，其名義成分為Ti-5Al-4Mo-2Cr-4Zr-2Sn-1Fe，差熱分析法測得β相變點在890 ℃左右。利用液壓式鍛機，經β相區開坯后，沿軸向拔長成方坯，然后對方坯在相變點以下40～50 ℃溫度范圍內的α+β兩相區進行一次鐓拔和多次鐓拔，在兩相區拔長、滾圓，鍛成直徑為150 mm 的棒材。采用鉆床鉆孔和數控車床機將φ150 mm的棒材加工成管坯，采用銅鋼雙包套在5000T臥式擠壓機上對管坯進行熱擠壓，擠壓溫度分別為兩相區830 ℃和β相區930 ℃，擠壓管材規格為φ50 mm×10 mm。

從擠壓管材上截取試樣進行力學性能測試和顯微組織分析。本試驗對擠壓管材試樣在兩相區不同溫度(800、830、860 ℃)分別進行固溶處理, 繼而進行不同溫度(550、600、650 ℃)下的時效處理, 然后進行室溫拉伸試驗和金相組織觀察。拉伸試驗在INSTRON1185萬能拉伸機上進行，金相分析在OLYMPUS PMG3金相顯微鏡上進行，樣品腐蝕劑為10%HF+30%HNO3+60%H2O(體積分數)。

2 結果與討論

2.1 鐓拔對管坯組織的影響

β-CEZ鈦合金管坯經過一次鐓拔和多次鐓拔后的顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出,一次鐓拔后β-CEZ鈦合金管坯的顯微組織晶粒較為粗大，且大小不一，β晶界不明顯，晶粒內有板條狀α相析出 (圖1a)；多次鐓拔后等軸組織明顯得到細化和均勻化，β晶界非常清晰，等軸晶內有細小的針狀和短板條狀α相析出(圖1b)。

圖1 一次鐓拔與多次鐓拔后β-CEZ鈦合金管坯的顯微組織Fig.1 Microstructures of single and repeated upsetting and drawing of β-CEZ titanium alloy tube blanks：(a)single upsetting and drawing; (b)repeated upsetting and drawing

2.2 擠壓溫度對管材組織和性能的影響

表1為在830 ℃和930 ℃擠壓獲得的β-CEZ鈦合金管材的力學性能(擠壓狀態)。由表1可以看出，830 ℃下擠壓獲得的β-CEZ鈦合金管材抗拉強度可以達到1 290 MPa左右，延伸率約為10%，斷面收縮率約為30%；930 ℃下擠壓獲得的管材抗拉強度可以達到1 350 MPa左右，但是延伸率降低至6%，斷面收縮率降低至16%，故相變點以下830 ℃擠壓管材的強度和塑性匹配較好。而在相變點以上930 ℃擠壓獲得的管材雖然塑性有大幅降低，但由于擠壓溫度較高，擠壓過程會比較順利，且高溫下擠壓變形抗力小，對設備的能力要求小，故實際生產中可結合產品性能要求選擇適當的擠壓溫度。

表1 不同擠壓溫度下β-CEZ鈦合金管材的室溫力學性能

圖2為β-CEZ鈦合金管坯在830 ℃和930 ℃擠壓后的顯微組織。從圖2可以看出，930 ℃擠壓獲得的β-CEZ鈦合金管材的顯微組織(圖2b)明顯比830 ℃的更為粗大(圖2a)。相變點以上進行管坯擠壓時，所需的擠壓力雖小，但是高溫會使管坯的晶粒長大，導致管材塑性大幅降低。

2.3 固溶和時效溫度對管材性能的影響

從擠壓溫度對β-CEZ鈦合金管材組織和力學性能影響的分析得出，相變點以下兩相區830 ℃擠壓獲得的管材具有較好的綜合力學性能，故后續對該溫度下獲得的管材進行固溶時效處理。圖3為β-CEZ鈦合金在830 ℃擠壓，經800、830、860 ℃×1 h/AC固溶處理后，固溶溫度與管材力學性能的關系曲線。由圖3可以看出，隨著固溶溫度的升高，β-CEZ鈦合金管材的抗拉強度增大，屈服強度也隨之增大，延伸率和斷面收率則隨著固溶溫度的升高而降低。當固溶溫度由830 ℃升高到860 ℃時，延伸率變化不大，斷面收縮率繼續降低。

圖4為β-CEZ鈦合金管材在830 ℃擠壓，經860 ℃固溶，再經(550、600、650)℃×8 h/AC時效處理后，時效溫度與管材力學性能的關系曲線。由圖4可以看出，隨著時效溫度的升高，β-CEZ鈦合金管材的抗拉強度和屈服強度降低，延伸率和斷面收縮率增大，且斷面收縮率曲線斜率較大，表明斷面收縮率增大顯著，說明時效溫度對斷面收縮率影響較大。

圖4 時效溫度與β-CEZ鈦合金管材力學性能的關系曲線Fig.4 Aging temperature and tensile properties curves of β-CEZ titanium alloy tubes

2.4 擠壓管材的顯微組織和力學性能

表2為830 ℃擠壓β-CEZ鈦合金管材經不同固溶+時效處理后的力學性能。由表2可以看出，擠壓管材經830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC處理后，管材拉伸強度可以達到1 455～1 466 MPa，延伸率為7%～8.5%。當固溶溫度降低至800 ℃，時效溫度提高到600 ℃時，管坯強度降低到1 260～1 270 MPa，延伸率提高到15%，可見降低固溶溫度的同時提高時效溫度后，擠壓管坯的拉伸強度降低了約200 MPa,但塑性提高近1倍。

表2 不同熱處理制度下β-CEZ鈦合金管材的室溫力學性能

圖5為830 ℃擠壓β-CEZ鈦合金管材經不同固溶+時效處理后的顯微組織。由圖5可以看出，經830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC熱處理后，管材的顯微組織由β晶界和板條狀α相組成；經800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC熱處理后，管材的顯微組織由β晶界和等軸α相組成，且晶粒細小均勻。

圖5 不同熱處理制度下β-CEZ鈦合金管材的顯微組織Fig.5 Microstructures of β-CEZ titanium alloy tubes by different heat treatments:(a)830 ℃×1 h/AC+550 ℃×8 h/AC； (b)800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC

3 結 論

(1)β-CEZ鈦合金在相變點以下經多次鐓拔后顯微組織明顯細化、均勻，且在相變點以下擠壓獲得的β-CEZ鈦合金管材具有更好的強塑性匹配。

(2)隨著固溶溫度的升高，β-CEZ鈦合金擠壓管材的強度增大，塑性降低；隨著時效溫度的升高，強度降低，塑性增大。

(3)經830 ℃擠壓獲得的β-CEZ鈦合金管材經800 ℃×1 h/AC+600 ℃×8 h/AC熱處理后，強度和塑性匹配良好，拉伸強度大于1 250 MPa, 延伸率大于15%，顯微組織為細小均勻的等軸組織。