退火溫度對Ti80合金棒材組織與性能的影響

引言

Ti80合金是我國自行研制的875MPa級耐蝕可焊結(jié)構(gòu)鈦合金，相當(dāng)于國外的Ti-6Al-12Nb-lTa-0.8Mo合金[1]，其名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-lMo,是一種鋁含量較高（5.5%?6.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）并含有β穩(wěn)定元素Nb、Mo和中性元素Zr的近α型鈦合金[2]。該合金具有高的比強度、良好的塑性、優(yōu)良的耐蝕性及良好的焊接性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于潛艇、艦船[3]。而當(dāng)潛艇、艦船等在海水中服役時，會受到海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，需要承受大的沖擊載荷作用[4]。因此，為了保證Ti80合金材料的使用安全性，其強度、塑性和沖擊軔性需達(dá)到良好匹配。目前國內(nèi)學(xué)者已對Ti80合金進行了一些相關(guān)研究，但主要集中在對Ti80合金棒材鍛造工藝、管材以及板材熱處理工藝上[1-2]，而關(guān)于退火溫度對Ti80合金棒材組織和性能影響的研究相對較少。

本研究則通過對比分析不同退火溫度對Ti80合金棒材組織以及性能的影響，以期探究其中的影響規(guī)律，找到使Ti80合金棒材獲得最佳強度、塑性和沖擊軔性匹配的退火溫度，為Ti80合金棒材的批量化生產(chǎn)以及在海洋工程中的推廣應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

1、實驗

實驗原料為經(jīng)真空自耗電弧爐3次熔煉而成的φ600mmTi80合金鑄錠，化學(xué)成分見表1。升溫金相法測得α+β/β相變溫度為1005℃。首先將Ti80合金鑄錠在1150℃保溫4.5?5.5h后，采用16MN快速液壓鍛造機進行變形量為88%左右的四鐓四拔開坯鍛造，然后用箱式電阻爐加熱至相變點以下30?50℃進行多火次鐓拔鍛造，最終鍛至φ165mm棒坯。在棒坯上切取φ165mm×20mm的圓片5件，其中1件用于熱加工態(tài)取樣，其余4件分別在箱式電阻爐（控溫精度為±1中進行熱處理試驗。熱處理工藝分別為650、700、750、800T保溫1h后空冷。

在經(jīng)4種不同退火工藝處理后的圓片和熱加工態(tài)圓片上分別取弦向力學(xué)性能試樣和沖擊試樣，利用鉬絲線切割在圓片1/2半徑處切取φ15mm的橫向金相試樣。然后按照GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用INSTR0N4505萬能試驗機測試?yán)煨阅埽话凑誈B/T5168—2008《α-β鈦合金高低倍組織檢驗方法》，采用LeicaMM-6金相顯微鏡進行顯微組織觀察；按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用JB-S300A擺錘式?jīng)_擊試驗機測定試樣沖擊性能。

2、結(jié)果與分析

2.1退火溫度對顯微組織的影響

圖1為Ti80合金棒材熱加工態(tài)及不同溫度退火后的金相照片。由圖la可知，熱加工態(tài)Ti80合金棒材組織為兩相區(qū)鍛造組織，為均勻的等軸組織。而經(jīng)650T熱處理后，其顯微組織（圖1b)與熱加工態(tài)(圖1a)相比較基本沒有變化。隨著退火溫度的逐漸升高，初生《相數(shù)量有所減少，次生《條明顯出現(xiàn)析出長大現(xiàn)象（圖1d、1e)，特別是從圖1d中可以明顯看出次生α條大量析出。圖1e中，次生α相數(shù)量較圖Id有所增加，球狀α相更加粗大。從圖lb?le可以發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的升高，組織中次生α相增加。

2.2退火溫度對室溫拉伸性能的影響

表2為Ti80合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后的室溫拉伸性能。從表2可以看出，熱處理溫度對Ti80合金棒材強度的影響并不明顯，熱加工態(tài)抗拉強度平均值為910MPa,8001熱處理后的抗拉強度平均值為893MPa,抗拉強度平均值相差僅為17MPa,屈服強度平均值相差也僅為9MPa。此外，經(jīng)650?8001熱處理后，Ti80合金棒材的強度數(shù)據(jù)波動較小，性能較為穩(wěn)定。

從表2還可以看出，熱處理溫度對Ti80合金棒材延伸率和斷面收縮率的影響較大。當(dāng)熱處理溫度為6501時，棒材的延伸率與熱加工態(tài)相比較相差較小，且均不滿足協(xié)議指標(biāo)要求，這是由于性能與組織有密切關(guān)系，組織決定性能，而兩者的組織較為接近（圖1a、1b)。當(dāng)退火溫度為7001時，延伸率測試值分別為13.5%、14.0%，滿足協(xié)議指標(biāo)要求；當(dāng)退火溫度為750?800T時，熱處理后棒材延伸率基本穩(wěn)定在15%左右，斷面收縮率穩(wěn)定在54%左右，比650T熱處理棒材的延伸率高出24.5%、斷面收縮率高出10.5%。

對圖1b?1e中的顯微組織變化分析可知，隨著熱處理溫度的不斷升高，Ti80合金棒材顯微組織中α相形貌不斷變化，初生α相和次生α相均逐漸球化，組織更加均勻，殘余應(yīng)力得到進一步釋放，棒材強度有所下降，塑性提高。這與表2中700?8001之間Ti80合金棒材室溫拉伸性能變化趨勢是一致的。

2.3退火溫度對沖擊韌性的影響

表3為Ti80合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后沖擊軔性的測試值及平均值。從表中可以看出，經(jīng)過800T熱處理后Ti80合金棒材的沖擊軔性較650T熱處理后高出18%左右，較7001熱處理后高出15.7%左右，較750T熱處理后高出9%左右。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱處理溫度的升高，沖擊軔性平均值呈現(xiàn)明顯上升趨勢。

結(jié)合圖1d、le，隨著退火溫度的升高，初生α相數(shù)量有所減少，出現(xiàn)球化長大趨勢，次生《相呈條狀析出。當(dāng)顯微組織中α相含量較少時，棒材的沖擊軔性較高，這與沖擊微裂紋的形核位置主要集中于初生α相界和α與P相界相關(guān)[3]。此外，較粗大的等軸α組織對裂紋擴展有明顯的阻礙作用[5]，次生《相含量越高、越粗大，相應(yīng)的沖擊軔性越高[6]。

3、結(jié)論

(1)隨著退火溫度的升高，Ti80合金棒材組織中次生α相數(shù)量增加，且退火溫度對其強度的影響要小于對延伸率、斷面收縮率及沖擊軔性的影響。

(2)當(dāng)退火溫度控制在700?800T之間時，Ti80合金棒材的強度、塑性及沖擊性能可以達(dá)到較好的匹配，其抗拉強度約為900MPa,屈服強度約為835MPa,延伸率約為14%，沖擊軔性約為64J/cm2，棒材的各項性能指標(biāo)均滿足協(xié)議指標(biāo)要求。

參考文獻

[1]蔣鵬，孟憲亮，劉茵琪，等.Ti80合金鍛造工藝對顯微組織和性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2005,34(增刊3):286-288.

[2]王巧莉，代春，成小麗.退火溫度對Ti80合金擠壓管材組織與性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，2010,20(專輯1):631-633.

[3]羅錦華，朱燕麗，孫小平，等.熱加工及熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響[J].鈦工業(yè)進展，2016,33(2)：20-24.

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