熱處理制度對工業純鈦TA2組織性能的影響

陳乃川 董曉鋒 楊再江 楊學新 陳皓 朱接柱

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839100）

TA2 純鈦具有良好的耐蝕性能，比強度高，同時具有較強的斷裂韌性[1]。在大型工業，船舶生產等領域都有廣泛應用，由于金屬在加工工藝一定的情況下，其組織形態主要取決于加熱的最高溫度和不同冷卻速度下的組織演變[2]。因此研究TA2 純鈦高溫下組織演變具有重大意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗用TA2 原料為退火態(M)，軋制厚度為50mm 的鈦板，其β 轉變溫度是920℃左右，其顯微組織為全等軸α相，如圖1；在其橫截面隨機5個點維氏硬度如表1所示。

表1 實驗用材料橫截面硬度值（HV5）

1.2 實驗方法

將原料切成15×15mm 的小方塊，共15 塊，分5組，編號1#～5#，每組3 個試樣。將爐溫分別升到指定溫度點，共5個溫度點，900℃、930℃、960℃、990℃、1020℃，將每組試樣放入其中保溫40分鐘，然后將一組3個試樣分別采用水冷(WQ)、空冷（AC）、隨爐冷卻(FC)的方式冷卻至室溫,熱處理制度如表2所示。

表2 熱處理制度

將熱處理之后的試樣進行維氏硬度(HV5)檢測，顯微組織檢測和原始β 晶粒尺寸檢測，每個試樣隨機打5 個硬度值，再求出其平均值，顯微組織用金相顯微鏡進行檢測拍照，原始β 晶粒由光學映像測量儀拍照后，金相分析軟件進行尺寸測量。

2 實驗結果

2.1 硬度

不同溫度和熱處理制度下，維氏硬度值如表3、圖2所示。

圖1 退火態顯微組織

表3 硬度值(HV5)

圖2 維氏硬度

2.2 顯微組織

900℃（β 轉變溫度以下）溫度下，隨爐冷卻形成全等軸組織，空冷形成等軸組織和部分組片狀α 組織，水冷組織由等軸初生α相和細片狀α相組成。

930℃～1020℃（β 轉變溫度以上）溫度下，隨爐冷卻組織為全片層粗大α 相組成，隨溫度升高組織無明顯變化；空冷組織也是全片層粗大α 相組成，隨溫度升高組織無明顯變化，但相同溫度下空冷組織片層間距小于隨爐冷卻；水冷組織由片狀、透鏡狀、等軸狀α相組成。

各制度下顯微組織如圖3 所示，圖3（a）～3（c）分別為900℃隨爐冷卻、空冷、水冷顯微組織；3（d）～3（f）分別為930℃隨爐冷卻、空冷、水冷顯微組織；圖片序號以此類推。

圖3 不同熱處理制度顯微組織

2.3 原始β晶粒

930℃～1020℃空冷條件下均能清晰看見由晶界α 相勾勒的原始β 晶粒，由此測得各溫度下原始β 晶粒尺寸，如圖4所示；金相照片如圖5所示，圖5（a）～5（d）依次為930℃～1020℃。

圖4 β晶粒平均尺寸

圖5 不同溫度加熱后空冷30倍金相照片

3 結論與分析

（1）在同等加熱溫度下，隨爐冷卻、空冷、水冷，TA2 純鈦維氏硬度依次增大，從顯微組織可以看出，同等溫度下，相變溫度以下隨爐冷卻形成等軸晶，相變點以上形成粗大的片層組織，這都會使材料硬度降低，空冷形成的片層組織由于片層間距小于隨爐冷卻，可提高硬度，所以硬度就會大于隨爐冷卻[3]；水冷形成透鏡狀和極細小的片層組織，所以大大提高位錯運動，從而提高硬度，其硬度值明顯高于隨爐冷卻和空冷。

（2）相變溫度以上，隨著溫度提高，同樣冷卻方式下硬度值相近，從顯微組織可以看出，片層α 間距幾乎相同，整體組織差異也不大[4]。這是因為晶內片層組織的形成只與冷卻速度有關，而跟加熱溫度關系不大。

（3）930℃以上，隨著加熱溫度的提高，原始β 晶粒也會隨之增大，并有溫度越高，晶粒變大的趨勢越明顯，呈現加速生長的態勢。因為加熱溫度越高，晶界原子能量越高，境界遷移的動能越大。晶粒長大的趨勢就越明顯。