熱處理工藝對(duì)TA5鈦合金棒材顯微組織及性能的影響

沈立華 ，朱寶輝，馬 超，劉彥昌，王培軍，劉守田，王 益，姜 韜

(寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

TA5是一種α型鈦合金，除含有4%的Al元素外，還加入了0.005%的B元素，這樣可細(xì)化晶粒并提高彈性模量。此合金強(qiáng)度中等，塑性較差，焊接性能和耐腐蝕性良好，可制作成板材、棒材和鍛件，是海洋環(huán)境下理想的結(jié)構(gòu)材料。目前已廣泛應(yīng)用于制備船舶制造業(yè)的各類機(jī)械部件[1-3],也應(yīng)用于制造各類兵器[4]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于TA5鈦合金板材加工工藝、熱處理工藝的研究報(bào)道較多，而對(duì)該合金棒材熱處理工藝的研究報(bào)道較少。因此本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)TA5鈦合金棒材進(jìn)行不同工藝的熱處理，研究了熱處理工藝對(duì)TA5鈦合金棒材組織與力學(xué)性能的影響規(guī)律，希望對(duì)后續(xù)材料加工及該合金的應(yīng)用推廣提供一定的參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用棒材是用經(jīng)由三次真空自耗熔煉的φ600 mm TA5鈦合金鑄錠加工而成的。鑄錠相變點(diǎn)為(995±5)℃,Al含量為4.2%,B含量為0.004 3%，雜質(zhì)元素含量符合GB/T 3620.1—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。棒材加工過程分為兩個(gè)階段：第一階段為開坯和中間鍛造，將鑄錠在1 150 ℃保溫4.5～5.5 h后，采用16MN快速液壓鍛造機(jī)進(jìn)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(960±10)℃，保溫4～4.5 h后，進(jìn)行變形量為75%左右的兩次拔長(zhǎng)鍛造，制成φ120 mm鍛坯料；第二階段為徑向鍛造，在(950±10)℃下，采用SXP-13徑向鍛造機(jī)進(jìn)行變形量為85%左右的徑向鍛造，鍛后棒材直徑為45 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

采用箱式電阻爐(控溫精度為±1 ℃)，對(duì)TA5鈦合金棒材進(jìn)行退火熱處理：①不同退火溫度，分別在600、650、700、750、800 ℃，保溫1 h，空冷，優(yōu)選出最佳退火溫度；②不同保溫時(shí)間，退火溫度依據(jù)第1步優(yōu)選，保溫時(shí)間分別為30、60、90、120、150 min，空冷。

在棒材1/2半徑處沿縱向切取試樣，按照GB/T 228《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)法》，采用INSTRON 4505萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸性能；按照GB/T5168《α-β鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》，采用Leica MM-6金相顯微鏡觀察顯微組織；按GB/T229《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》，采用JB-S300A擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣沖擊性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對(duì)顯微組織與力學(xué)性能的影響

2.1.1 熱處理溫度對(duì)力學(xué)性能的影響

圖1為TA5鈦合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理后的力學(xué)性能。從圖1中可以看出，熱處理溫度對(duì)TA5鈦合金棒材強(qiáng)度和塑性的影響較大。隨著熱處理溫度的升高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，特別是熱處理溫度超過750 ℃后強(qiáng)度下降現(xiàn)象更加明顯；而延伸率和斷面收縮率與強(qiáng)度出現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)熱處理溫度在700 ℃時(shí)延伸率超過13%，斷面收縮率超過42%。由圖1曲線分析，TA5鈦合金棒材熱處理溫度在700～750 ℃之間時(shí)，棒材的強(qiáng)度和塑性達(dá)到較好的匹配。

圖1 熱處理溫度對(duì)TA5鈦合金棒材力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of annealing temperature on mechanical properties of TA5 alloy bar

2.1.2 熱處理溫度對(duì)顯微組織的影響

圖2為TA5鈦合金棒材鍛造態(tài)及經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織。由圖2a可以看出，棒材鍛造態(tài)顯微組織為均勻細(xì)小的等軸α組織，說明棒材在相變點(diǎn)以下的鍛造變形較為充分。經(jīng)600 ℃退火熱處理后，其顯微組織(圖2b)與鍛造態(tài)顯微組織并無明顯差異，但熱處理溫度超過再結(jié)晶溫度以后，隨著溫度的升高，顯微組織中等軸α相開始逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)溫度升高至750 ℃時(shí)，等軸α相(圖2e)明顯長(zhǎng)大，當(dāng)溫度升高至800 ℃后，形成粗大的等軸組織(圖2f)，并明顯有晶界出現(xiàn)，晶界寬度雖然很小，但晶內(nèi)已可以看到有少量析出物。隨著熱處理溫度不斷升高，TA5鈦合金棒材組織中α相進(jìn)一步球化，組織會(huì)更加均勻，殘余應(yīng)力得到進(jìn)一步釋放，棒材的強(qiáng)度會(huì)有所下降，塑性會(huì)提高，這與圖1中的性能曲線是一致的。

圖2 TA5鈦合金棒材鍛造態(tài)及經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織Fig.2 Metallographs of TA5 alloy bars at as-forged condition and different annealing temperaptures

2.1.3 熱處理溫度對(duì)沖擊韌性的影響

表2為TA5鈦合金棒材經(jīng)不同工藝熱處理后的沖擊韌性。由表2可以看出，800 ℃下熱處理的TA5鈦合金棒材的沖擊韌性高出600 ℃熱處理的棒材36%左右，高出700 ℃熱處理棒材16%左右。從3種熱處理工藝得到的棒材沖擊韌性數(shù)據(jù)能夠看出，隨著熱處理溫度的升高TA5鈦合金棒材的沖擊韌性出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。表2中3種熱處理工藝所對(duì)應(yīng)的微觀組織分別為圖2中b、d、f。圖2b、d組織為均勻細(xì)小的等軸α組織，這種組織強(qiáng)度、塑性相對(duì)匹配較好，但抗裂紋擴(kuò)展能力較差,沖擊性能明顯要低于其它組織(除魏氏組織)，這與表2和圖1曲線結(jié)果相對(duì)應(yīng)。圖2f為較粗大的等軸α組織，這種組織對(duì)裂紋擴(kuò)展有明顯的阻礙作用，沖擊性能較好，但材料的塑性較差[5-7]。

表2 不同熱處理工藝對(duì)TA5鈦合金棒材沖擊韌性的影響Table 2 Effect of annealing process on impact toughness of TA5 alloy bars

2.2 保溫時(shí)間對(duì)顯微組織與力學(xué)性能的影響

2.2.1 熱處理保溫時(shí)間對(duì)顯微組織的影響

由圖1可以看出，當(dāng)退火溫度在700～750 ℃時(shí)TA5鈦合金棒材的強(qiáng)度和塑性達(dá)到較好的匹配。由此選擇720 ℃作為熱處理溫度，在該溫度下進(jìn)行保溫時(shí)間分別為30、60、90、120、150 min的退火熱處理,處理后的顯微組織見圖3。

從圖3可以看出，保溫時(shí)間為30 min，棒材顯微組織與鍛造態(tài)相比無明顯變化；保溫時(shí)間為60 min時(shí),α相出現(xiàn)球化，組織均勻性較好；保溫時(shí)間為120 min時(shí)，α相出現(xiàn)長(zhǎng)大的趨勢(shì)；當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至150 min時(shí),α相已明顯長(zhǎng)大。從不同時(shí)間退火后的顯微組織看，較佳的退火時(shí)間為60～90 min。

對(duì)比圖2和圖3可以看出，熱處理溫度對(duì)TA5鈦合金棒材顯微組織的影響較大，而保溫時(shí)間對(duì)顯微組織的影響較小。

2.2.2 熱處理保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

圖4為TA5鈦合金棒材在720 ℃下分別進(jìn)行保溫時(shí)間為30、60、90、120、150 min退火熱處理后的力學(xué)性能。從圖4中可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，TA5鈦合金棒材的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而延伸率和斷面收縮率曲線呈上升趨勢(shì)。當(dāng)熱處理保溫時(shí)間在60～90 min時(shí)，棒材的強(qiáng)度及塑性相對(duì)匹配較好。

圖4 不同保溫時(shí)間對(duì)TA5鈦合金棒材力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of holding time on mechanical properties of TA5 alloy bars

雖然從圖4曲線可以看出,TA5鈦合金棒材強(qiáng)度和塑性隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)分別出現(xiàn)下降和上升趨勢(shì)，但變化幅度與圖1相比要小。保溫時(shí)間由30 min 延長(zhǎng)至150 min時(shí),強(qiáng)度變化范圍在60 MPa以內(nèi)，說明保溫時(shí)間對(duì)TA5鈦合金棒材強(qiáng)度的影響小于熱處理溫度。

3 結(jié) 論

(1)TA5鈦合金棒材的較佳退火溫度為700～750 ℃，較佳保溫時(shí)間為60～90 min。

(2)TA5鈦合金棒材退火溫度在700～750 ℃，保溫時(shí)間在60～90 min之間時(shí)，強(qiáng)度、塑性及沖擊性能達(dá)到較好的匹配，其抗拉強(qiáng)度在740 MPa左右，屈服強(qiáng)度在595 MPa左右，延伸率在14%左右，沖擊韌性在65 J/cm2左右。

(3)退火處理保溫時(shí)間對(duì)TA5鈦合金棒材的強(qiáng)度、塑性和顯微組織的影響小于退火溫度的影響。

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