退火溫度對超細晶工業純鈦組織和力學性能的影響

谷艷霞, 江靜華, 馬愛斌, 吳浩然

(1. 江蘇海事職業技術學院, 江蘇 南京 211100; 2. 河海大學 力學與材料學院, 江蘇 南京 211100)

近年來,通過大塑性變形技術制備超細晶材料(Ultrafine-grain, UFG)得到了科研工作者的高度重視[1-2],超細晶工業純鈦(Commercial pure titanium, CP-Ti)已經實現了在航空航天、生物醫藥領域的商業應用?？茖W家采用不同的大塑性變形技術制備了超細晶工業純鈦,并對其微觀組織和力學性能進行了研究[3]。研究表明,通過大塑性變形加工以后,工業純鈦產生的超細晶組織不僅可以提高其力學性能,也可以使其生物相容性和耐蝕性能得到提高[4-5]。等通道轉角擠壓(Equal channel angular pressing, ECAP)是一種使用非常廣泛的大塑性變形方法,該方法是使坯料通過兩個互成一定角度的等截面通道,通道夾角在60°～150°之間,坯料通過通道交角時,產生大的塑性變形,實現晶粒細化[6]。

經過大塑性變形后,在晶粒尺寸減小的同時,材料內部儲能增加,使超細晶組織不穩定,并且超細晶材料的高強度以犧牲塑性為代價,這使超細晶材料在實際使用時受到限制。研究表明,對超細晶材料進行合適的短時退火,可以優化其強度和塑性,提高其組織穩定性[7]。但是,退火溫度過高,會使晶粒明顯長大,使力學性能下降。因此,選擇合適的退火溫度至關重要。大多數科學家在超細晶材料的加工方法、微觀組織演變、力學性能方面開展了較多研究,而對于超細晶材料在后續退火過程中的組織、性能、穩定性等方面缺乏關注。Akbari等[8]研究表明,超細晶純銅在190 ℃退火10 min后,抗拉強度提高了45 MPa。Zhao等[9]研究了超細晶工業純鋁在不同溫度下退火30 min的組織演變和力學性能特征。而退火工藝對超細晶工業純鈦組織和性能的影響規律,目前還缺乏系統研究。本文研究了退火溫度對超細晶工業純鈦組織和性能的影響,超細晶工業純鈦通過等通道轉角加壓進行制備,隨后在300、400、500 ℃進行15 min的退火,并采用透射電鏡對退火后的微觀組織進行觀察,對其室溫力學性能進行測試。

1 試驗材料與方法

選用TA2工業純鈦,其化學成分如表1所示。原始晶粒尺寸大約為10 μm,采用旋轉模具對試樣進行4道次ECAP加工。旋轉模具及加工方法如圖1所示。ECAP試樣尺寸為20 mm×20 mm×45 mm,將試樣放入通道,經過1道次擠壓后,無需將試樣從通道取出,將模具順時針旋轉90°,即可進行下一道次的加工。加工完4道次后,將試樣從模具取出。把試樣6個面去除2 mm,留下中間部位進行組織、力學性能及后續退火研究,性能測試及微觀組織分析所有試樣從縱切面選取。將ECAP加工后的試樣在300、400、500 ℃退火15 min,隨后空冷,并對退火后的微觀組織和力學性能進行研究。各狀態試樣的具體工藝及其對應編號如表2所示。

圖1 旋轉模具ECAP加工示意圖Fig.1 Schematic illustration of rotary-die ECAP processing

表1 TA2工業純鈦的化學成分(質量分數,%)

表2 具體工藝及其對應編號

微觀組織觀察在FEI Tecnai G T20型透射電鏡上開展。從試樣中間線切割1 mm的薄片,然后進行機械研磨,減薄至0.1 mm,之后沖出直徑為φ3 mm的圓片,隨后進行電解雙噴,電解液為高氯酸和酒精混合液。

按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 室溫拉伸試驗 第1部分:試驗方法》,室溫拉伸試驗在TF-50S拉伸試驗機上進行。拉伸試驗在室溫下進行,試樣測試部分尺寸為6 mm×2 mm×2 mm(長×寬×高),拉伸速率為1 mm/min,為了測量平均值,每種狀態選取至少3個平行試樣。

X射線衍射(XRD)測試前將試樣用砂紙打磨,使用Bruker D8 Discover X射線衍射儀獲得XRD圖譜,采用CuKα射線,測量2θ角度為30°～80°。

2 試驗結果與分析

2.1 退火溫度對超細晶工業純鈦組織的影響

圖2為經過ECAP加工4道次的超細晶工業純鈦經不同溫度退火后的TEM微觀組織。從圖2(a)看出,經ECAP加工4道次后,晶內和晶界由于加工變形產生了大量位錯,經統計得出晶粒尺寸約為450 nm。從圖2(b)可以看出,經300 ℃退火15 min后,晶內的位錯密度減少,晶粒尺寸沒有明顯增大,說明這種退火條件下晶粒還沒來得及發生長大。從圖2(c)可見,經400 ℃退火15 min后,晶內位錯密度進一步降低,說明退火促進了晶內的位錯向晶界運動,以及位錯的對消、重排、湮滅,晶界更加明顯清晰,少量晶粒尺寸略微增大。從圖2(d)可見,經500 ℃退火15 min后,部分晶粒內部已基本沒有位錯,并且大部分晶粒發生了明顯長大。

圖2 超細晶工業純鈦經不同溫度退火后的TEM圖Fig.2 TEM images of the UFG-Ti annealed at different temperatures(a)未退火(unannealed); (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃

2.2 退火溫度對超細晶工業純鈦力學性能的影響

圖3為原始態(0P)、超細晶態(4P)及不同溫度退火態工業純鈦的室溫拉伸應力-應變曲線。表3列出了超細晶工業純鈦及其在不同溫度下退火后的室溫拉伸試驗數據,從圖3和表3可以看出,ECAP加工后的超細晶工業純鈦與原始態相比,強度得到了很大的提升,抗拉強度從450 MPa提高到了627 MPa,伸長率從48%下降到29%。超細晶工業純鈦經300 ℃退火15 min(A1)后,抗拉強度和屈服強度都得到提高,分別為663 MPa和561 MPa,伸長率保持為29%。經400 ℃退火15 min(A2)后,與超細晶態相比,強度得到提升,同時伸長率也提高到34%。超細晶工業純鈦經500 ℃退火15 min(A3)后,抗拉強度和屈服強度都有所下降。可見,超細晶工業純鈦在300～400 ℃退火15 min,強度得到提升,且具有良好塑性,可以獲得較優的強度塑性匹配,隨著退火溫度提高,超細晶粒有所長大,導致強度逐漸下降。

圖3 0P、4P工業純鈦及其在不同溫度下退火后的室溫工程應力-應變曲線Fig.3 Engineering stress-strain curves of the 0P, 4P CP-Ti and that annealed at different temperatures

表3 超細晶工業純鈦及其在不同溫度下退火后的室溫拉伸試驗數據

超細晶工業純鈦經300～400 ℃退火15 min后,強度得到提高,即產生了退火強化現象。Akbari等[8]研究表明,超細晶純銅經190 ℃退火10 min后,抗拉強度提高了45 MPa。Zhao等[9]將超細晶Al在60 ℃退火30 min,超細晶純鋁強度得到提高。Volkov等[10]指出,超細晶純鎂經150 ℃低溫退火后強度得到提高。本文中工業純鈦產生的退火強化現象有可能是由于以下原因造成的:①低溫短時退火后,晶粒尺寸未明顯增大;②退火后基面織構增強,導致織構強化。圖4為超細晶工業純鈦和其經300 ℃退火15 min后的X射線衍射圖譜,由圖4的X射線衍射圖譜可知,經300 ℃退火15 min后,超細晶工業純鈦各晶面衍射峰的強度發生了不同程度的變化。為了評價晶粒的擇優取向,采用織構系數(Texture coefficient,TC)對工業純鈦的織構演變進行分析?？棙嬒禂悼赏ㄟ^下式進行計算[11-12]:

圖4 不同工藝處理后工業純鈦試樣的X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction patterns of the CP-Ti specimens treated by different processes

圖5 不同工藝處理后工業純鈦試樣的織構系數(TC)Fig.5 Texture coefficients of the CP-Ti specimens treated by different processes

表4 不同狀態工業純鈦的織構系數(TC)數值

由此可見,超細晶工業純鈦在300～400 ℃溫度下退火,可以在晶粒沒有發生明顯長大的情況下使超細晶工業純鈦強度進一步提高、且具有良好塑韌性。隨著退火溫度的升高,晶粒逐漸發生長大,導致其強度下降,斷后伸長率提高。

3 結論

研究了退火溫度對ECAP加工超細晶工業純鈦組織和性能的影響,對經退火后工業純鈦試樣的微觀組織、擇優取向等組織結構特征進行了分析,對其室溫拉伸性能等進行了系統研究,并探討了超細晶工業純鈦低溫短時退火強化的機制。研究得出如下結論:

1) ECAP加工4道次的超細晶工業純鈦在300 ℃退火15 min后,晶粒尺寸沒有明顯的變化;當退火溫度升高到400 ℃退火15 min后,晶內位錯密度減少,晶界更加明顯清晰,少量晶粒尺寸略微增大。經500 ℃退火15 min后,大部分晶粒發生了明顯長大。

2) 經不同溫度退火后超細晶工業純鈦的力學性能研究結果表明,經300～400 ℃溫度下進行15 min低溫短時退火后,超細晶工業純鈦強度得到提高,且具有良好塑性。隨著退火溫度提高,晶粒尺寸增大,超細晶工業純鈦的強度逐漸下降。

3) 經低溫短時退火后,超細晶工業純鈦產生了退火強化現象,可能是由于以下原因導致的,一方面退火后晶粒沒有明顯增大,另一方面退火后基面織構增強,產生了織構強化。