不同熱處理工藝對工業(yè) TC4合金板材組織和性能的影響

王蕊寧,楊建朝,呂利強,高文柱,奚正平,謝英杰,高維娜

(1.西部金屬材料股份有限公司板帶項目部,陜西 西安 710065) (2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

不同熱處理工藝對工業(yè) TC4合金板材組織和性能的影響

王蕊寧1,楊建朝1,呂利強1,高文柱1,奚正平2,謝英杰1,高維娜1

(1.西部金屬材料股份有限公司板帶項目部,陜西 西安 710065) (2.西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

研究了兩相區(qū)普通熱處理和β相區(qū)固溶 +兩相區(qū)固溶雙重熱處理對工業(yè) TC4合金板材組織和性能的影響。結(jié)果表明:兩相區(qū)普通退火處理(分別在 700,750,800℃保溫1 h,空冷)可以得到較好的綜合性能,隨溫度升高,晶粒略有長大,強度、塑性逐漸降低;β相區(qū)固溶 +兩相區(qū)固溶雙重熱處理 (1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h, AC)得到網(wǎng)籃組織,強度、塑性明顯降低。

TC4板材;顯微組織;力學性能

1 前 言

TC4合金性能成熟穩(wěn)定,是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金,大約占鈦合金用量的 60%以上。但由于TC4合金變形抗力高,工業(yè)生產(chǎn)軋制過程中難以精確控制板材的組織、性能,因此需采用合適的熱處理制度來改善加工過程中產(chǎn)生的不良影響[1]。目前關(guān)于 TC4合金熱處理的文獻大多與棒材有關(guān)[2-3],很少有板材方面的報道。本文研究了熱處理制度對TC4板材組織和性能的影響規(guī)律,以便為實際生產(chǎn)中 TC4板材的工業(yè)化熱處理提供參考。

2 實驗材料及方法

實驗用 TC4合金采用真空自耗電弧熔煉法制備,化學成分符合 GB/T 3620.2—2007標準要求。采用差熱分析法測得合金的相變點溫度為 (986±10)℃。在西部鈦業(yè)板帶廠2 800mm熱軋機上一火軋制至26mm厚,然后取樣進行力學性能試驗。分別在700,750,800℃對 TC4板材進行普通退火處理,保溫時間 1 h,空冷。為提高 TC4板材的斷裂韌性[4-5],還進行了β相區(qū)固溶 +兩相區(qū)固溶的雙重熱處理(1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h,AC)。用光學顯微鏡觀察熱處理后的組織,在萬能拉力試驗機上進行力學性能測試。

3 結(jié)果與分析

3.1 顯微組織

圖1為 26mm厚 TC4板材的原始軋態(tài)金相顯微組織。從圖1中可以看到典型的兩相區(qū)加工組織——等軸α、長條α及β轉(zhuǎn)變基體,其中長條α的產(chǎn)生與該處原始組織粗大且在軋制變形過程中未發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。

圖1 TC4板材原始軋態(tài)顯微組織Fig.1 Original microstructu re of TC4 plate as-rolled

圖2為不同熱處理后的顯微組織。從圖中可以看到,700℃(圖2a)、750℃(圖2b)熱處理后的組織與軋態(tài)組織相似,而800℃(圖2c)熱處理后晶粒略有長大,說明在750℃以上隨熱處理溫度升高晶粒逐漸長大。而且這 3種普通熱處理制度都未能消除掉軋制過程中不均勻變形產(chǎn)生的長條α。經(jīng)過β相區(qū)固溶處理+兩相區(qū)固溶處理的雙重熱處理 (1 050℃×30m in, AC+720℃×2 h,AC)后,長條α消失(圖2d),組織為均勻的網(wǎng)籃組織。這是由于從相變點以上快速冷卻時,部分β相來不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?而是轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體α相及亞穩(wěn)β相,之后在兩相區(qū)固溶時分解為α片層或α集束,成為網(wǎng)籃組織。說明在相變點以上溫度進行熱處理更有利于消除組織不均勻化的影響。

圖2 TC4板材經(jīng)不同熱處理后的顯微組織:(a)700℃×1 h,AC;(b)750℃×1 h,AC;(c)800℃×1 h,AC; (d)1 050℃×3m in,AC+720℃×2 h,ACFig.2 Microstructures of the TC4 plate after different heat treatment:(a)700℃×1 h,AC;(b)750℃×1 h,AC; (c)800℃×1 h,AC;(d)1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h,AC

3.2 力學性能

TC4板原始軋制態(tài)及 4種不同工藝熱處理后的力學性能如表1所示。可以看到,700℃和750℃熱處理后強度和塑性與軋態(tài)相比變化不大,而 800℃退火處理和β相區(qū)固溶 +兩相區(qū)固溶的雙重熱處理(1 050℃×30m in,AC+720℃×2h,AC)后則強度和塑性都明顯降低,這與其晶粒長大有關(guān)。因為常溫下晶界強度高于晶內(nèi),而晶粒細小則晶界相對增加,表現(xiàn)為拉伸強度較高,且斷裂時裂紋擴展路徑較粗大晶粒組織復(fù)雜,表現(xiàn)為塑性增加。而網(wǎng)籃組織晶粒粗大晶界尤其明顯,所以斷裂時可能發(fā)生沿晶斷裂,塑性明顯降低。

表1 TC4板材經(jīng)不同熱處理后的室溫力學性能Table1 Mechanical properties of the TC4 plate after different heat treatment

4 結(jié) 論

(1)TC4板材經(jīng)過普通退火處理 (分別在 700, 750,800℃保溫 1 h,空冷)后的組織為典型的兩相區(qū)加工組織——等軸α等、長條α及β轉(zhuǎn)變基體,但退火溫度升高至800℃后晶粒略有長大。

(2)TC4板材經(jīng)過雙重熱處理(1 050℃,30m in, AC+720℃×2 h,AC)后組織為典型的網(wǎng)籃組織。

(3)TC4板材經(jīng)過 700℃和 750℃退火處理后得到較高的綜合力學性能,而800℃退火處理和雙重熱處理(1 050℃×30m in,AC+720℃×2 h,AC)后板材的強度和塑性都明顯降低,這與其晶粒長大有關(guān)。

[1]W ood R A,Favor R J.鈦合金手冊[M].劉靜安,吳煌良,姚毅,譯.重慶:科學技術(shù)文獻出版社重慶分社, 1983:55.

[2]周偉,曲恒磊,趙永慶,等.TC4DT合金不同熱處理后的組織和性能 [J].金屬熱處理,2006,31(6):56 -57.

[3]馬英杰,劉建榮,雷家峰,等.多重熱處理對 TC4合金的組織和力學性能的影響 [J].材料研究學報,2008, 22(5):554-560.

[4]Filip R,Kubiak K,Ziaja W,et al.The effect of microstructure on them echanical properties of two-phase titanium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003,84:133-135.

[5]Li Shikai,Xiong Baiqing,Hui Songxiao,et al.Comparison of the fatigue and fracture of Ti-6A l-2Zr-1Mo-1V with lamellar and bimodal microstructures[J].Materials Science and Engineering A,2007,140:460-461.

Influence of Heat-Treatment on Microstructure and Mechanical Proper ties of TC 4 Plate

Wang Ruining1,Yang Jianchao1,Lü Liqiang1,Gao Wenzhu1,Xi Zhengping2,Xie Yingjie1,Gao Weina1
(1.Western Metal Material Co.,Ltd.,Xi'an 710065,China) (2.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi'an 710016,China)

The influence of different heat-treatment on microstructure and mechanical properties of TC4 plate was studied.Results show that the good comprehensive properties are obtained in TC4 plate heat treated in(α+β)region,and the strength and plasticity are decreased with temperature increase;basket structure is obtained in TC4 plate double heat treated in βregion and(α+β)region,and simultaneously,the strength and plasticity are decreased obviously.

TC4 plate;microstructure;mechanical properties

2010-07-14

國家科技支撐計劃項目(2007BAE07B02);陜西省重大科技創(chuàng)新專項資金項目(2009ZKC03-01);國家 973項目(2007CB613807)

王蕊寧 (1977-),女,博士,工程師,電話:029-86288630-8043。