海洋環(huán)境用Ti-5111合金板材的組織與性能研究

席錦會(huì)，葛 鵬，侯 鵬，廖 強(qiáng)

(西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201)

船舶服役在苛刻的海洋環(huán)境中，由于長(zhǎng)時(shí)間接觸海水，船體及其設(shè)備、構(gòu)件(如高溫排氣管、海水閥和泵、螺旋槳等)很容易被腐蝕，對(duì)其采取防護(hù)措施又極其繁瑣和困難，因此對(duì)船舶用材料提出了特殊的技術(shù)性要求：耐海水腐蝕性好；高、低溫環(huán)境下穩(wěn)定性好；安全可靠，維修少或維修便捷；彎曲、焊接等可加工性好。鈦合金因具有良好的耐蝕性能和力學(xué)性能，被認(rèn)為是一種很有前途的海洋環(huán)境用材料。

目前在用的船用鈦及鈦合金包括純鈦、Ti-3Al-2.5V合金以及Ti-6Al-4V ELI兩相合金等。Ti-6Al-4V ELI合金因具有高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用，但在苛刻的應(yīng)用環(huán)境下，例如在強(qiáng)烈震動(dòng)的情況下，其斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂以及焊接性能不能很好地滿足要求[1]。Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1V-1Zr-0.8Mo)合金是美國(guó)研發(fā)的一種成本較低的鈦合金，它具有與Ti-6211(Ti-6Al-2V-1Nb-1Ta)合金相似的性能，能夠滿足深潛器對(duì)材料屈服強(qiáng)度的要求(不低于690 MPa)，同時(shí)保持良好的韌性和可焊性[2,3]。

本研究對(duì)熱軋制備的25 mm厚Ti-5111合金板材進(jìn)行了不同熱處理，并對(duì)熱處理后板材的組織、性能進(jìn)行了檢測(cè)，分析了影響材料強(qiáng)度、塑性及沖擊韌性的因素，旨在掌握不同熱處理制度下Ti-5111合金板材的性能水平，為后期選材及批量化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

Ti-5111合金鑄錠(相變點(diǎn)為975～980 ℃)經(jīng)過(guò)β相區(qū)及α+β相區(qū)鍛造得到100 mm厚板坯，再經(jīng)過(guò)α+β兩相區(qū)順軋得到25 mm厚板材。分別在800、950、1 000 ℃對(duì)Ti-5111合金板材進(jìn)行熱處理，保溫1 h，空冷。

從Ti-5111合金板材上截取實(shí)驗(yàn)用料，經(jīng)加工制備成φ10 mm×65 mm的拉伸試樣，10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口沖擊試樣。采用INSTRON-1185萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。采用PTM2100擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。采用金相顯微鏡觀察合金的組織形貌，金相試樣腐蝕液為氫氟酸、硝酸和水組成的混合溶液，體積比為1∶2∶5。采用JSM-6460掃描電鏡(SEM)觀察沖擊試樣斷口形貌。

為了考察該合金的焊接性能，采用電子束焊接將2塊長(zhǎng)150 mm、寬300 mm的Ti-5111合金板材進(jìn)行拼焊，拼焊成300 mm×300 mm的板材，經(jīng)過(guò)熱處理后測(cè)試其室溫拉伸性能和沖擊韌性。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理制度對(duì)板材組織的影響

軋制態(tài)(R)及經(jīng)不同制度熱處理后Ti-5111合金板材的顯微組織如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，R態(tài)為等軸組織，由初生α相和β轉(zhuǎn)變相組成，初生α相含量為70%～80%，β轉(zhuǎn)變相中次生α相為短棒狀，縱橫比小。比較R態(tài)橫向與縱向組織可發(fā)現(xiàn)，2個(gè)方向初生α相尺寸略有差異，縱向初生α相尺寸為18 μm，橫向初生α相尺寸為13 μm，縱向初生α晶粒被拉長(zhǎng)，這是由于板材為順軋，晶粒在變形過(guò)程中被壓扁并拉長(zhǎng)。800 ℃×1 h/AC普通退火后仍為等軸組織，組織形態(tài)與R態(tài)相似，初生α相含量依然為70%～80%，縱向、橫向初生α相尺寸分別為18 μm和14 μm。950 ℃×1 h/AC熱處理后為雙態(tài)組織，初生α相含量減少，為40%；次生α相呈片狀，橫向初生α相尺寸比縱向略小，含量也少?？v向、橫向初生α相尺寸分別為17 μm和14 μm。1 000 ℃×1 h/ACβ熱處理后獲得魏氏體組織，α相全部轉(zhuǎn)化為原始β相，β晶粒粗大，為100～200 μm，但晶界α及晶內(nèi)α片均非常薄，晶內(nèi)由位向不同的細(xì)長(zhǎng)α集束組成。

圖1 軋制態(tài)及不同制度熱處理后Ti-5111合金板材金相照片

2.2 熱處理制度對(duì)板材拉伸性能的影響

Ti-5111合金板材經(jīng)不同制度熱處理后的室溫拉伸性能見(jiàn)圖2。從圖2可見(jiàn)，隨著熱處理溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，且屈服強(qiáng)度下降幅度更大，說(shuō)明熱處理制度對(duì)屈服強(qiáng)度的影響強(qiáng)烈。800 ℃熱處理后，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降了20 MPa，塑性基本保持不變。950 ℃熱處理后，抗拉強(qiáng)度較R態(tài)下降了30 MPa，屈服強(qiáng)度降低70 MPa。1 000 ℃熱處理后，抗拉強(qiáng)度較R態(tài)下降了50 MPa，屈服強(qiáng)度降低100 MPa。熱處理溫度超過(guò)了相變點(diǎn)后，板材延伸率明顯降低，這是由于板材組織變?yōu)榇执蟮摩戮В瑢?dǎo)致強(qiáng)塑性下降。Margolin與Greenfield在研究α+β鈦合金的拉伸斷裂機(jī)理時(shí)指出，對(duì)于等軸組織，斷裂應(yīng)力與等軸初生α相晶粒間距、原始再結(jié)晶β晶粒直徑的平方根成反比；對(duì)于魏氏體片狀組織，其斷裂應(yīng)力與再結(jié)晶β晶粒直徑、晶界α相厚度的平方根成反比[4，5]。而在給定的退火溫度下，等軸組織中等軸α相的平均直徑則與原始再結(jié)晶β晶粒直徑成正比[5]。因此，等軸組織的斷裂應(yīng)力實(shí)際上與等軸α相的晶粒尺寸和間距的平方根成反比。在雙態(tài)組織中原始再結(jié)晶β晶粒尺寸指亞晶α相集束的尺寸。本研究中，魏氏體片狀組織原始再結(jié)晶β晶粒粗大，遠(yuǎn)大于等軸組織和雙態(tài)組織的原始再結(jié)晶β晶粒，因此，具有魏氏體組織的試樣綜合抗拉強(qiáng)度最低。等軸組織的原始β晶粒比雙態(tài)組織的再結(jié)晶β晶粒度略小，故其抗拉強(qiáng)度最高。

圖2 不同熱處理制度下Ti-5111合金板材的抗拉強(qiáng)度和塑性

材料的塑性除了與再結(jié)晶β晶粒尺寸有關(guān)外，還與晶界α相有關(guān)。片狀組織中，具有一定厚度的連續(xù)晶界α相為顯微孔洞的形核及長(zhǎng)大到臨界尺寸提供了一條捷徑，從而導(dǎo)致晶間斷裂，使片狀組織的塑性大大低于等軸組織和混合組織。

2.3 熱處理制度對(duì)板材韌性的影響

Ti-5111合金板材經(jīng)不同制度熱處理后的室溫沖擊韌性見(jiàn)圖3。從圖3可見(jiàn)，在相變點(diǎn)以下熱處理時(shí)，隨著熱處理溫度的升高，沖擊韌性提高，熱處理溫度超過(guò)相變點(diǎn)后，沖擊韌性又降低。R態(tài)及經(jīng)不同制度熱處理后，V形缺口試樣沖擊功AKV均可達(dá)60 J以上，表現(xiàn)出良好的韌性。

圖3 不同熱處理制度下Ti-5111合金板材的沖擊韌性

為了分析影響Ti-5111合金板材沖擊韌性的因素，對(duì)不同熱處理溫度下沖擊韌性試樣斷口的宏觀形貌進(jìn)行分析，見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，R態(tài)、800 ℃及950 ℃熱處理后的沖擊試樣斷面差異很小，斷口表面較為平直，呈灰色；而1 000 ℃熱處理后斷口非常粗糙，表面有較大的起伏，存在大量金屬光澤的小平面。

圖4 不同熱處理制度下Ti-5111沖擊試樣斷口宏觀形貌

圖5為Ti-5111合金沖擊試樣斷口的SEM照片。從圖5可見(jiàn)，800 ℃熱處理后，斷口韌窩深、細(xì)密且分布均勻，呈等軸狀，其尺寸與顯微組織中的等軸α晶粒大小相當(dāng)；950 ℃熱處理后，斷口韌窩更深更大，斷面中可見(jiàn)大量的顯微孔洞和二次裂紋；1 000 ℃熱處理后，斷口韌窩數(shù)量很少，局部可見(jiàn)準(zhǔn)解理斷裂特征，解理平面內(nèi)存在河流花樣。

圖5 不同熱處理制度下Ti-5111合金沖擊試樣斷口SEM照片

鈦合金斷裂過(guò)程中，初生α相是裂紋萌生和擴(kuò)展的通道，材料的斷裂韌性隨著初生α相內(nèi)部平均自由程的增加而提高[6]。

(1)

式中：Lm為α相內(nèi)部平均自由程；R0為初生α相半徑；f為初生α相含量。根據(jù)式(1)及不同熱處理制度下板材顯微組織可以看出，由于950 ℃熱處理后，初生α相含量顯著減少，但初生α相尺寸與R態(tài)和800 ℃熱處理后的初生α相尺寸相當(dāng)，故初生α相內(nèi)部的平均自由程較大，因此950 ℃熱處理后材料的韌性高。裂紋一般主要在初生α相晶界、α/β相界或β晶粒的晶界上形成。材料的韌性不僅與初生α相的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，還與α相的形貌有關(guān)。在應(yīng)力作用下，裂紋一般沿著相界面進(jìn)行擴(kuò)展，既可以平直穿過(guò)α相，也可以繞過(guò)α相。對(duì)于含有片狀α相的混合組織，若片狀α相的位向與主裂紋擴(kuò)展方向相近，裂紋沿α片間通過(guò)；若片狀α相的位向與主裂紋走向不一致，裂紋穿過(guò)片層α相，但裂紋擴(kuò)展至片層邊界時(shí)，將產(chǎn)生停滯效應(yīng)或被迫改變方向。魏氏體組織中，晶內(nèi)α片層呈網(wǎng)籃狀交織分布，有助于材料保持較高的韌性。因此，對(duì)于不同類型的鈦合金組織來(lái)說(shuō)，混合組織，即雙態(tài)組織的沖擊韌性最好，魏氏體組織次之，等軸組織最差[7～8]。

2.4 Ti-5111合金板材焊縫性能

Ti-5111合金板材焊縫與母材的力學(xué)性能見(jiàn)表1。從表1可以看出，不同熱處理制度下焊縫的性能與母材相當(dāng)，說(shuō)明Ti-5111合金具有優(yōu)異的焊接性能。其中，950 ℃熱處理后板材綜合性能最好，Rm=870 MPa，Rp0.2=775 MPa，A=14%，AKV=81 J。

表1 不同熱處理制度下Ti-5111合金板材焊縫與母材的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

(1)Ti-5111合金板材經(jīng)950 ℃×1 h/AC熱處理后為雙態(tài)組織，可得到良好的綜合性能，其Rm=870 MPa，Rp0.2=775 MPa，A=14%，AKV=81 J。

(2)Ti-5111合金板材的沖擊韌性與組織類型有關(guān)，雙態(tài)組織的沖擊韌性最好，魏氏體組織的次之，等軸組織最差。

(3)Ti-5111合金板材焊縫的力學(xué)性能與母材相當(dāng)，表現(xiàn)出優(yōu)異的焊接性能。