退火溫度對Gr.12合金板材力學性能的影響

王 田，趙小龍，周雪紅

(新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839100 )

Gr.12合金是一種近α型鈦合金，屬于Ti-Mo-Ni系，其名義成分為Ti-0.3Mo-0.8Ni，于20世紀70年代中期由美國鈦金屬公司研制，該合金在抗腐蝕性能方面，尤其在還原性和氯化物環境中的抗腐蝕性能明顯優于工業純鈦，接近Ti-Pd合金的抗腐蝕性水平。合金元素中含有少量的Mo和Ni不僅提高了合金強度，還能夠形成很低的陰極超電壓，使其在高溫、高濃度的氯化物或弱還原性酸中具有極強的抗縫隙腐蝕能力[1、2]。此外，Gr.12合金還具有優良的工藝成形性能和綜合的機械性能，因不含有貴金屬，與Ti-Pd合金相比成本大幅度降低，在化學工業、環境污染控制及核廢物處理等方面得到了廣泛的應用，是制造熱交換器、管式反應器、制氯電解槽等的優良材料[3、4]。

由于Gr.12合金所具有的成本優勢及優異性能，在一般工業中的使用量日益劇增，目前相關學者和工程技術人員對Gr.12合金也做了一定的研究，從研究方向來看主要集中在材料耐腐蝕性能和變形加工工藝方面，對該材料的熱處理工藝方面的研究較少。因此，本文采用了不同退火溫度的熱處理工藝，對比各工藝下Gr.12合金板材室溫力學性能的影響，并由此獲得最佳的熱處理參數，為批量化生產提供工藝依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料的制備

試驗材料為經2次真空自耗電弧爐熔煉制備的Gr.12合金Ф900mm鑄錠，鑄錠經1000℃開坯、回火鍛造成厚度δ250mm板坯，再在800℃～900℃兩火次軋制為厚度δ16mm板材，其所含元素質量百分數為Mo：0.26～0.29%、Ni：0.68～0.75%、Fe：0.02～0.04%、O：0.12～0.14%、H：0.001%、其余為Ti。

1.2 退火工藝設計

采用不同退火溫度的6種熱處理工藝，對比分析退火溫度對Gr.12合金板材室溫強度和塑性的影響。退火工藝如表1所示。

表1 不同退火工藝

1.3 性能檢測

在δ16mm板材上截取試樣塊，按照表1所列退火制度在高精度箱式電阻熱處理爐中進行熱處理，熱處理后的毛坯樣按照產品標準ASTM B265-20《Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip,Sheet,and Plate》要求，加工為寬度12.5mm的ASTM E8-2015《Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials》板狀標準試樣，在萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸性能檢測。

2 結果與分析

2.1 檢測數據

不同退火制度熱處理后試樣檢測的橫（T）、縱（L）向室溫拉伸性能如表2所示。

表2 不同退火制度下板材橫、縱向室溫拉伸性能

2.2 結果分析

不同退火制度對Gr.12合金板材橫、縱向室溫拉伸強度和塑性的影響規律如圖1、圖2所示。

圖1 不同退火制度的板材橫向性能

圖2 不同退火制度的板材縱向性能

從圖1可以看出，將退火溫度從600℃升至800℃過程中，隨著退火溫度的升高，板材橫向抗拉強度和屈服強度先呈降低趨勢，在720℃退火時達到最低值，降幅分別為48Mpa和76Mpa，繼續升高退火溫度后板材抗拉強度和屈服強度又隨之提高了20Mpa～30Mpa，直至800℃基本維持不變。板材伸長率變化規律與強度變化規律恰好相反，隨退火溫度升高呈先提高再降低的趨勢，且在720℃達到最高值。

圖2為板材縱向室溫拉伸性能隨退火溫度的變化趨勢，將退火溫度從600℃升至800℃過程中，與橫向抗拉強度和屈服強度類似，也是隨著退火溫度的升高呈降低趨勢，在680℃時處于強度最低值，屈服強度僅為348Mpa～350Mpa，已接近產品標準ASTM B265-20中的下限值要求。繼續升高退火溫度至760℃以上，板材抗拉強度和屈服強度又隨之提高了20Mpa～30Mpa，直至800℃基本維持不變。板材伸長率變化規律也與其強度變化規律相反，隨退火溫度升高呈先提高再降低的趨勢，且在680℃達到最高值。

從圖1和圖2所呈現出的板材強度與塑性的變化規律其原因在于，Gr.12合金板材經軋制變形后的再結晶溫度約為700℃左右，當退火溫度為600℃～720℃時，主要發生回復過程，在該階段隨著退火溫度的升高，材料熱激活作用增強，原子的遷移擴散能力增強，材料回復軟化率系數也越大，即材料軟化效果越明顯[5]。當退火溫度在720℃～800℃時，主要發生再結晶過程，由于板材在退火前經過大變形軋制，材料內部位錯密度急劇增加，形成大量再結晶晶核，并產生聚集很高的位錯密度儲存能，位錯密度儲存能是發生再結晶的驅動力，在材料達到一定的溫度后，大量晶核再結晶從而形成細小等軸晶粒[5]，并達到細晶強化的效果。

3 結論

（1）在試驗條件范圍內，板材抗拉強度和屈服強度呈先降低再升高的趨勢，橫、縱向分別在720℃和680℃時處于強度最低值。伸長率變化規律與強度變化規律恰好相反，隨退火溫度升高呈先提高再降低的趨勢，且橫、縱向分別在720℃和680℃時達到最高值。

（2）在本次試驗條件范圍內，Gr.12合金板材最優的退火溫度為760℃。