成形及退火溫度對TA5鈦合金顯微組織和力學性能的影響

康 聰，李進元，任馳強，李 菁

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

TA5鈦合金是一種中強全α型鈦合金，名義成分為Ti-4Al-0.005B，具有良好的焊接性和耐蝕性能，被廣泛應用于艦船煙囪蒙皮、桅桿等零部件［1，2］。試驗通過設計不同的成形溫度及熱處理制度獲得了不同的顯微組織形貌，研究分析了顯微組織對TA5鈦合金室溫力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為西部鈦業有限責任公司生產的Φ150 mm TA5鈦合金棒材，相變點為1 006℃。試驗用原材料在SX-16精鍛機上制備出Φ83 mm TA5鈦合金棒材，隨后進行熱處理，成形溫度及熱處理制度見表1；最終在棒材頭部切取金相與室溫拉伸試樣進行測試。顯示金相組織所用腐蝕劑為10%HF+40%HNO3+50%H2O，腐蝕后在Stemi2000型顯微鏡下進行組織觀察；室溫拉伸試樣按GB／T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》加工成Φ5 mm的標準試樣并在1185型材料試驗機上進行靜態室溫拉伸試驗。

表1 TA5棒材成形溫度及熱處理制度

2 試驗結果及討論

2.1 不同工藝路線下成品棒材組織

2.1.1 成形溫度對棒材組織的影響

不同成形溫度下成品棒材經850℃保溫2 h，空冷后的顯微組織形貌如圖1所示。由圖1可以看出，兩種成形溫度下退火態均為等軸組織，但組織細節存在明顯差別。1＃試樣存在明顯的晶界析出物且晶內分布有沿特定方向析出的點狀析出物，4＃試樣以晶內點狀析出物為主，伴隨少量晶界析出物。鈦合金中β→α相轉變屬于體心立方向密排六方的同素異構轉變，兩相之間滿足伯格斯關系：（110）β／／（0002）α，［1-11］β／／［11-20］β。通常情況下，在上述相轉變的過程中α相的生長總是沿著某一特定方向進行，形成“片狀”微結構。TA5鈦合金中存在微量Fe元素，該元素在α相中固溶度很小，因此伴隨片狀α相的生長，Fe元素會析出并降低附近區域的相變點，從而形成沿特定方向析出的點狀β相，如1＃試樣所示。對于Tβ之下成形棒材，原有的條狀β相會歷經變形，破壞原有流線結構，并伴隨退火過程中α相再結晶形成無流線分布的點狀形態，如4＃試樣所示。

圖1 不同成形溫度下TA5鈦合金顯微組織

2.1.2 退火溫度對棒材組織的影響

圖2為相變點之下成形棒材經不同退火溫度退火的顯微組織形貌。由圖2可以看出，經700℃保溫2 h后的顯微組織為拉長的條狀α相，說明此時再結晶未充分進行；當退火溫度升至800℃時，組織內部已出現等軸狀的再結晶結構，但仍保留部分拉長的條狀α相；隨著退火溫度的進一步升高，組織已經完全轉變為等軸晶粒，且晶粒發生了明顯的長大。退火溫度越高，再結晶過程驅動力越大，原子擴散速率越快，致使再結晶體積分數上升、再結晶后晶粒尺寸增大。

圖2 不同退火溫度下TA5鈦合金顯微組織

2.2 不同工藝路線下棒材力學性能

2.2.1 成形溫度對棒材力學性能的影響

不同成形溫度下TA5棒材的室溫拉伸性能見表2。由表2可以看出，相比于Tβ之上成形棒材，Tβ之下成形有利于材料的塑性，但會降低材料的強度。由圖1可知，Tβ之上成形時，會形成伴隨有沿某特定方向分布的點狀β相的等軸組織，這種β相分布形態會將原有的等軸晶粒割裂成幾個小的“條狀區域”，一方面降低了有效滑移長度，導致強度增加，另一方面降低了材料的變形協調性，導致材料塑性下降。

表2 不同成形溫度下TA5鈦合金室溫拉伸性能

2.2.2 退火溫度對棒材力學性能的影響

退火溫度對TA5棒材的室溫拉伸性能如圖3所示。由圖3可以看出，隨退火溫度的上升，材料呈現強度降低、塑性上升的趨勢。一方面隨著退火溫度的上升，再結晶體積分數上升，降低了加工產生的“加工硬化”效果；且隨著等軸晶粒數量增多、材料的變形協調性增加，改善了材料的塑性。另一方面，晶粒尺寸的增大導致材料內部相界面減少，對于位錯的釘扎作用減弱，造成材料強度的下降。

圖3 不同退火溫度下TA5鈦合金室溫拉伸性能

3 結 論

1.兩種成形溫度下棒材退火態均為等軸組織，但組織細節存在明顯差別。Tβ之上成形的棒材組織存在明顯的晶界析出物且晶內分布有沿特定方向析出的點狀析出物；Tβ之下成形的棒材組織以晶內點狀析出物為主，伴隨少量晶界析出物，且隨著退火溫度的升高，再結晶體積分數升高，晶粒尺寸增大。

2.相比于Tβ之上成形棒材，Tβ之下成形有利于材料的塑性，但會降低材料的強度；隨退火溫度的上升，材料呈現強度降低、塑性上升的趨勢。