熱處理對TA34鈦合金管材組織性能與成材率的影響

李 婷，杜 宇，屈 磊，郭荻子，應(yīng) 揚，孫花梅，鄒 磊

(1.西北有色金屬研究院, 陜西 西安 710016)(2.西安秦鈦智造科技有限公司, 陜西 西安 710016)

鈦合金管材通常采用擠壓+軋制的方式制備，可獲得均勻細小的組織，有利于合金強度與塑性的提高[3-5]。但同時也因為中間加工工序較多，成材率相對板材、棒材較低，均需在軋制每道次間進行退火處理，以消除管材內(nèi)應(yīng)力，避免后續(xù)管材軋制過程中發(fā)生開裂。此外，薄壁管材進行熱處理時，為防止出現(xiàn)黏連、塌陷，一般采用吊裝的方式放置管材。TA34鈦合金屬于近α型鈦合金，為獲得優(yōu)異的強塑性匹配，通常采用等溫分級退火處理。但等溫分級退火制度退火溫度高、保溫時間長，管材吊裝端發(fā)生軟化變形的區(qū)域較大[6]。本研究通過調(diào)整軋制道次間的熱處理制度及成品管材熱處理制度，旨在獲得力學(xué)性能滿足GJB 9583—2018要求的成品管材，為后續(xù)TA34鈦合金管材批量化生產(chǎn)提供合理的熱處理制度。

1 實 驗

選用0級小顆粒海綿鈦、海綿鋯、鋁豆及鋁鉬合金等原料，按合金配比包制合金包并壓制電極，通過3次真空自耗電弧爐熔煉制備TA34鈦合金鑄錠。鑄錠相變點為(940±5)℃，化學(xué)成分滿足GB/T 3620.1—2016要求。鑄錠經(jīng)扒皮、探傷、去冒口后，采用多火次、大變形量進行鐓拔鍛造，獲得棒坯。棒坯經(jīng)扒皮、鉆孔后制備成擠壓管坯，再經(jīng)擠壓和多道次軋制制備成規(guī)格為φ85 mm×2.5 mm×(2000～4000)mm的成品管材，軋制道次間均需進行退火處理。

對TA34鈦合金管材進行2種制度的熱處理：T1制度，道次間普通退火+成品等溫分級退火處理；T2制度，道次間普通退火+最后一道次軋制前等溫分級退火+成品普通退火處理。普通退火制度為相變點以下200～300 ℃保溫60～90 min，空冷至室溫；等溫分級退火制度為相變點以下20～50 ℃保溫30～60 min，爐冷至相變點以下100～200 ℃保溫30～60 min，爐冷至相變點以下200～300 ℃保溫30～60 min，隨后爐冷至200 ℃出爐。

從熱處理前后的TA34鈦合金管材上沿縱剖面切取尺寸為2.5 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，采用OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡(OM)進行顯微組織觀察。從熱處理后的TA34鈦合金管材上切取室溫、低溫拉伸試樣，其中室溫拉伸試樣采用GB/T 228.1—2010中的S4試樣，在Instron 1185萬能拉伸試驗機上進行測試，低溫拉伸試樣采用定標小試樣，在UTM4204電子萬能試驗機上進行測試。每組拉伸試驗測量2個試樣，取平均值作為測試結(jié)果。從不同溫度拉伸試樣斷口附近沿縱剖面切取金相試樣，采用OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡分析顯微組織。采用精度分別為0.02、0.01 mm的卡尺和內(nèi)徑百分表測量管材尺寸。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

2.1.1 冷加工態(tài)組織

圖1為不同制度冷加工態(tài)TA34鈦合金成品管材縱剖面的顯微組織。經(jīng)冷軋加工后，管材組織為細小模糊晶，沿冷軋方向呈現(xiàn)金屬流線。在軋制道次間進行普通退火的成品管材，冷加工后金屬流線更加明顯；而在軋制道次間進行普通退火處理，在成品軋制前進行等溫分級退火處理的管材其組織更加均勻，金屬流線較弱。

圖1 不同制度TA34鈦合金成品管材冷加工態(tài)的顯微組織

2.1.2 熱處理態(tài)組織

圖2為不同制度TA34鈦合金管材經(jīng)熱處理后縱剖面的顯微組織。管材經(jīng)多道次軋制變形加工，原始組織被充分破碎，對成品管材進行等溫分級退火處理，由于溫度梯度多、保溫時間較長，組織回復(fù)、再結(jié)晶進行得比較充分，成品管材呈現(xiàn)出均勻細小的等軸α相，晶粒平均尺寸約為12 μm；而在成品管材最后一道次軋制前先進行等溫分級退火處理，軋制后進行普通退火處理，由于退火溫度低、保溫時間短，使得回復(fù)、再結(jié)晶進行得不充分，致使成品管材退火后保留一定的軋制變形組織，成品管材組織形貌為等軸α相伴隨少量的變形片狀α相，晶粒尺寸為12～18 μm。

圖2 不同制度TA34鈦合金管材熱處理后的顯微組織

2.1.3 拉伸斷裂后組織

式中，Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的實測濃度；Si為污染物i的評價標準；Pmax為單項污染指數(shù)最大值；Px為單項污染指數(shù)的算術(shù)平均值。

經(jīng)不同制度熱處理的TA34鈦合金管材在293、77、20 K進行拉伸試驗，試樣斷口附近的縱剖面顯微組織如圖3所示。試樣在外力作用下發(fā)生變形，原始晶粒沿著試樣被拉伸的方向伸長，T1制度試樣原始組織的等軸α相變形為條狀α相(圖3a～3c)，T2制度試樣原始組織的等軸α相+少量片狀α相變形為條狀α相+片狀α相(圖3d～3f)，其中片狀α相保持原有取向，片層間距增大，取向不受拉伸變形方向的影響；從組織變形程度分析，隨著測試溫度的降低，試樣變形程度加劇，且T1制度試樣斷口處的晶粒變形程度均高于T2制度試樣。

圖3 不同制度熱處理后TA34鈦合金管材在不同溫度下拉伸后的顯微組織

在拉伸作用力下，晶粒內(nèi)部沿著最有利的滑移方向發(fā)生變形，產(chǎn)生大量位錯，位錯在晶界處塞積，導(dǎo)致晶粒變形；隨著溫度的降低，位錯滑移啟動的臨界分切應(yīng)力增大，滑移開動需要更大的分切應(yīng)力，致使晶粒劇烈畸變[7-8]；T1制度試樣為均勻細小的等軸α組織，在同等作用力下，變形均勻分散在較多的晶粒內(nèi)進行，每個晶粒中產(chǎn)生塞積的位錯數(shù)量減少，因應(yīng)力集中引起的開裂機會較少，使T1制度試樣在拉伸斷裂前能夠承受較大的變形量，因而T1制度試樣的晶粒畸變程度高于T2制度試樣。

2.2 力學(xué)性能

圖4為不同制度TA34鈦合金管材分別在293、77、20 K下的拉伸性能曲線。由圖4顯示，經(jīng)2種不同制度熱處理的管材力學(xué)性能均滿足GJB 9583—2018要求。T1、T2制度管材的抗拉強度和屈服強度均隨著測試溫度的降低而上升，從293 K至77 K強度上升較快，增長幅度分別為73.6%、66.9%，77 K至20 K強度上升比較平緩，增長幅度分別為16.21%、12.7%；T1、T2制度管材在3種測試溫度下的抗拉強度、屈服強度相當； T1制度管材的塑性高于T2制度管材；隨著測試溫度的不斷下降，T1制度管材的塑性下降不明顯，T2制度管材從293 K至77 K塑性基本不變，從77 K至20 K塑性急劇下降，下降幅度為32%。

圖4 TA34鈦合金管材拉伸性能隨測試溫度的變化

圖5為TA34鈦合金管材拉伸試樣在77、20 K下的低溫應(yīng)力-位移曲線。從圖5可以看出，77 K低溫拉伸應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)連續(xù)變形，20 K低溫拉伸應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)鋸齒波現(xiàn)象，波幅由小逐漸增大直至斷裂。T1制度試樣的鋸齒波數(shù)量多于T2制度試樣，這與2種制度試樣在低溫拉伸測試過程中晶粒的畸變程度相對應(yīng)。

圖5 TA34鈦合金管材拉伸試樣的低溫應(yīng)力-位移曲線

隨著測試溫度的降低，位錯滑移啟動的臨界分切應(yīng)力增大，位錯運動愈發(fā)困難，從而在晶界處產(chǎn)生位錯塞積，導(dǎo)致合金需要更高的應(yīng)力才能使位錯重新開動，宏觀表現(xiàn)為低溫強度上升；在密排六方結(jié)構(gòu)中，孿生切應(yīng)力隨著溫度的降低變化不大，20 K低溫更有利于孿生變形的發(fā)生，孿生變形可以調(diào)節(jié)周圍晶粒取向，使滑移系轉(zhuǎn)動到有利的位置重新開動，滑移與孿生交互作用[9]，使得TA34鈦合金試樣變形連續(xù)，能夠保持較好的塑性，同時也說明了77 K和20 K下強度上升速率不同的內(nèi)在本質(zhì)。齒狀波動是絕熱變形引起的[10]。在TA34鈦合金拉伸變形過程中，加工硬化引起應(yīng)力集中，應(yīng)力上升，隨著變形熱的產(chǎn)生使集中應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力下降，這種局部絕熱變形導(dǎo)致齒狀波動的出現(xiàn)，并且隨著變形加劇，開動變形的臨界切應(yīng)力增大，齒狀波變化幅度加劇。

2.3 成材率統(tǒng)計

通過將成品管材軋制前的普通退火制度替換為等溫分級退火制度，在管材軋制過程中可以有效對變形端進行矯正，最后對成品管材進行普通退火處理，將退火溫度降低、退火時間縮短來減少吊裝端的變形區(qū)域，從而提高管材的成材率。從軋制管材的宏觀形貌來看，T2制度管材的變形端長度明顯縮短，優(yōu)于T1制度管材。對兩種制度處理的TA34鈦合金管材最終尺寸進行測量統(tǒng)計，T2制度管材的成材率為44.9%，相比T1制度管材(成材率為39.5%)提高5.4%。考慮到TA34鈦合金管材的實際使用情況， T1制度管材的強塑性匹配更好，T2制度可有效提高管材的成材率，降低生產(chǎn)成本，二者各有優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

(1) 經(jīng)道次間普通退火+成品等溫分級退火(T1制度)處理的TA34鈦合金管材，組織形貌為等軸α相，晶粒平均尺寸約為12 μm；經(jīng)道次間普通退火+最后一道次軋制前等溫分級退火+成品普通退火(T2制度)處理的管材組織形貌為等軸α相伴隨少量變形的片狀α相，晶粒尺寸為12～18 μm。

(2) T1、T2 2種制度處理的TA34鈦合金管材經(jīng)293、77、20 K拉伸變形，原始晶粒沿著試樣被拉伸的方向伸長，變形程度隨著溫度的降低逐漸加劇，且T1制度試樣斷口處晶粒變形程度高于T2制度試樣。

(3) TA34鈦合金管材77 K低溫拉伸應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)連續(xù)變形，20 K低溫拉伸應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)鋸齒波現(xiàn)象，波幅由小逐漸增大直至斷裂。T1制度試樣的鋸齒波數(shù)量多于T2制度試樣。

(4) 2種熱處理制度獲得的TA34鈦合金管材在測試溫度293、77、20 K下的強度相當，且隨著測試溫度的降低而上升；T1制度管材的塑性隨著測試溫度的降低下降不明顯，優(yōu)于T2制度管材。

(5) 通過對TA34鈦合金管材熱處理制度進行調(diào)整，可提高成品管材的成材率，調(diào)整后管材的成材率為44.9%，高于未調(diào)整前的39.5%。