軋制溫度和熱處理對TB9鈦合金棒材組織和性能的影響

郭金明，任 璐，倪沛彤，麻西群，朱梅生，吳 歡

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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軋制溫度和熱處理對TB9鈦合金棒材組織和性能的影響

郭金明，任 璐，倪沛彤，麻西群，朱梅生，吳 歡

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

研究了軋制溫度和熱處理制度對TB9鈦合金棒材顯微組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在800、850、930 ℃下軋制的TB9鈦合金棒材經(jīng)810 ℃×30 min/WQ固溶后，顯微組織均為等軸β組織，930 ℃下軋制的棒材組織更加均勻，軋制溫度對棒材固溶后的力學(xué)性能影響較小。經(jīng)510 ℃×12 h/AC時(shí)效處理后，棒材的強(qiáng)度和塑性等綜合性能隨軋制溫度的升高變化不大，抗拉強(qiáng)度全部大于1 300 MPa，屈服強(qiáng)度大于1 200 MPa，延伸率大于10%，能夠滿足某零件對材料的要求。此外，TB9鈦合金的強(qiáng)度隨時(shí)效溫度的上升而減小，而塑性逐漸增加。

軋制溫度；熱處理；TB9鈦合金；顯微組織；力學(xué)性能

0 引 言

TB9鈦合金(名義成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)是一種亞穩(wěn)β鈦合金，鉬當(dāng)量約19.6，在730 ℃即可發(fā)生α→β相變，通過處理后極限強(qiáng)度可達(dá)1 400 MPa以上，具有密度低、強(qiáng)度高、耐蝕、冷加工和抗疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)，常被用來制造彈簧、石油氣管路控制裝置和各類緊固件等[1]。作為β型鈦合金，TB9鈦合金在加工過程中具有較好的冷成形能力，但是變形溫度低往往會(huì)造成合金的微觀組織破碎不充分，而變形溫度過高則容易引起合金在高溫下形成粗大晶粒。因此在生產(chǎn)TB9等β鈦合金時(shí)，合適的軋制溫度是保證合金棒材獲得良好組織和力學(xué)性能的首要條件。

本研究對比了不同軋制溫度對固溶態(tài)和固溶時(shí)效態(tài)TB9鈦合金棒材組織和性能的影響，以獲得能夠滿足某零件對抗拉強(qiáng)度大于1 300 MPa、屈服強(qiáng)度大于1 200 MPa且延伸率大于10%要求的軋制溫度；并對該軋制溫度下生產(chǎn)的棒材進(jìn)行了不同溫度的時(shí)效處理，研究了TB9鈦合金在不同時(shí)效制度下組織和性能的變化規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料制備

選用一級海綿鈦、鋁豆和中間合金壓制成電極，采用真空自耗電弧爐經(jīng)二次熔煉得到φ360 mm的TB9

鈦合金鑄錠，其相變溫度為730 ℃，化學(xué)成分見表1。采用12.5MN快鍛機(jī)在1 150 ℃對鑄錠進(jìn)行拔長開坯，得到100 mm×100 mm的方棒，采用精鍛機(jī)在950 ℃下將方棒精鍛為φ50 mm的圓棒，然后對圓棒進(jìn)行扒皮并打磨處理表面缺陷。

表1 TB9鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在TB9鈦合金相變點(diǎn)以上70、120、200 ℃，即在800、850、930 ℃將φ50 mm的毛坯棒材一火次軋制成φ10 mm的棒材，所用設(shè)備為125型橫列式軋機(jī)。β鈦合金通常在其相變點(diǎn)以上40～80 ℃固溶，然后進(jìn)行(450～560) ℃×(8～24) h時(shí)效[2]。因此本實(shí)驗(yàn)為不同軋制溫度的TB9鈦合金棒材選擇的固溶制度為810 ℃×30 min/WQ，時(shí)效制度為510 ℃×12 h/AC。用Olympus光學(xué)顯微鏡觀察軋制溫度對棒材固溶態(tài)和固溶時(shí)效態(tài)顯微組織的影響，并在Instron 5985型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試。

通過以上實(shí)驗(yàn)選擇較佳的軋制溫度，并為較佳軋制溫度下軋制的棒材選擇810 ℃×30 min/WQ+460 ℃×12 h/AC和810 ℃×30 min/WQ+ 560 ℃×12 h/AC兩組熱處理實(shí)驗(yàn)，并對其進(jìn)行相應(yīng)的高倍組織分析和力學(xué)性能檢測，摸清熱處理對TB9鈦合金的組織和力學(xué)性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 軋制溫度對固溶態(tài)合金組織的影響

在800、850、930 ℃下軋制并經(jīng)810 ℃×30 min/WQ固溶后的TB9鈦合金棒材的顯微組織見圖1。

圖1 不同溫度軋制的TB9鈦合金棒材固溶處理后的金相照片

從圖1可以看出，3種不同軋制溫度下獲得的固溶態(tài)合金其基體顯微組織均為等軸β組織，且軋制溫度越低，合金的晶粒越細(xì)小。但低溫軋制往往會(huì)在微觀組織中形成明顯的變形死區(qū)，軋制溫度越低變形死區(qū)的范圍越大，從而難以獲得均勻的微觀組織[3]。圖1a中明顯可見彌散分布的細(xì)小顆粒，這與大多數(shù)亞穩(wěn)β鈦合金在相變點(diǎn)以上可能形成的淬火斜方α″馬氏體有關(guān)[3]，隨著軋制溫度的升高，基體內(nèi)彌散分布的顆粒減少，930 ℃時(shí)(圖1c)基體內(nèi)幾乎沒有彌散分布的顆粒。當(dāng)軋制溫度為850 ℃時(shí)(圖1b)，顯微組織及晶粒尺寸變化不明顯，平均晶粒尺寸基本仍保持在10～20 μm。但當(dāng)軋制溫度上升至930 ℃時(shí)(圖1c)，微觀組織的均勻性得到明顯改善，晶界相對圓潤，晶內(nèi)的細(xì)小析出物顆粒幾乎消失，但在高溫下軋制也使得平均晶粒尺寸長大至約40 μm，但仍在合理范圍以內(nèi)。TB9鈦合金的相變點(diǎn)僅730 ℃，在其相變點(diǎn)以上進(jìn)行變形，由于β相中原子的擴(kuò)散系數(shù)大，當(dāng)加熱溫度超過相變點(diǎn)以后，β相長大的傾向性隨之增大，易出現(xiàn)粗大的β晶粒，因此TB9鈦合金的軋制溫度不宜過高。

2.2 軋制溫度對固溶態(tài)合金力學(xué)性能的影響

表2為不同溫度下軋制的TB9鈦合金棒材經(jīng)810 ℃×30 min/WQ固溶處理后的室溫力學(xué)性能。TB9鈦合金棒材在經(jīng)過800、850、930 ℃軋制并固溶后，雖然軋制溫度相差130 ℃，但930 ℃軋制并固溶的棒材強(qiáng)度較800 ℃軋制的棒材僅降低了42 MPa，而塑性幾乎一致?？梢姰?dāng)TB9鈦合金棒材在相變點(diǎn)以上70～200 ℃的溫度范圍內(nèi)軋制后，軋制溫度對后續(xù)的棒材固溶態(tài)力學(xué)性能的影響并不劇烈。

表2 不同溫度軋制的TB9鈦合金棒材固溶處理后的力學(xué)性能

2.3 時(shí)效處理對合金組織的影響

作為亞穩(wěn)β型鈦合金，TB9鈦合金具有淬透性好的特點(diǎn)，由于該合金的相變組織復(fù)雜，導(dǎo)致其力學(xué)性能的調(diào)整范圍較寬[2]。在固溶和時(shí)效的條件下，能夠使六方結(jié)構(gòu)的α相從β相中脫溶析出，得到α相和β相混合的組織，從而使合金的強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)很高的水平。通常認(rèn)為，亞穩(wěn)β相鈦合金在一定的溫度下時(shí)效時(shí)，微觀組織在形成α+β的平衡相之前會(huì)形成β′、ω、α相的沉淀。β′相不能增加合金的強(qiáng)度，而ω相雖然能夠顯著提高亞穩(wěn)鈦合金的強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)強(qiáng)烈降低合金的韌性。亞穩(wěn)β鈦合金中的α相通常被作為基體中的硬化沉淀相使用，由時(shí)效形成的α相的形狀、大小和體積分?jǐn)?shù)等均對TB9鈦合金的強(qiáng)度具有重要作用。據(jù)報(bào)道，TB9鈦合金在510 ℃時(shí)效后可形成相互交叉的α相組織[3]。TB9鈦合金在800 ℃軋制并固溶時(shí)效后，其顯微組織(圖2a)遺傳了其變形組織中晶粒尺寸不均一的特點(diǎn)，時(shí)效后的微觀組織中，晶界處出現(xiàn)了大量的α析出物，晶界兩側(cè)的α析出物區(qū)域很寬，晶粒內(nèi)也出現(xiàn)了較多的α析出物，一些尺寸較小的晶粒幾乎完全被α析出物覆蓋。隨著軋制溫度的升高，晶粒尺寸逐漸均勻，α析出物幾乎全部出現(xiàn)在晶界兩側(cè)，晶界兩側(cè)析出物的區(qū)域逐漸變窄。軋制溫度升至930 ℃時(shí)(圖2c)，清晰可見等軸β晶內(nèi)析出細(xì)小、彌散的針狀α相，并且晶界變寬。

圖2 不同溫度軋制的TB9鈦合金棒材固溶時(shí)效處理后的金相照片

2.4 時(shí)效處理對合金力學(xué)性能的影響

表3為經(jīng)固溶時(shí)效處理后TB9鈦合金棒材的力學(xué)性能。800、850、930 ℃下軋制的棒材經(jīng)相同固溶時(shí)效制度810 ℃×30 min/WQ+510 ℃×12 h/AC處理后，抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到1 375、1 362、1 397 MPa，屈服強(qiáng)度均達(dá)到1 200 MPa以上，延伸率都達(dá)到10%以上，具備了較好的強(qiáng)塑性匹配，且隨著軋制溫度的升高，TB9鈦合金棒材經(jīng)固溶時(shí)效處理后強(qiáng)度和塑性的變化幅度均不大，仍然保持在同一水平。

綜合比較3種溫度軋制并經(jīng)固溶及固溶時(shí)效處理后TB9鈦合金棒材的顯微組織和力學(xué)性能，可以得出：3種溫度軋制并經(jīng)810 ℃×30 min/WQ+510 ℃×12 h/AC處理后，TB9鈦合金棒材均能滿足某零件對材料力學(xué)性能的要求，但930 ℃下軋制的TB9鈦合金棒材固溶后的顯微組織更加均勻，時(shí)效后的α析出物細(xì)小、彌散。因此，選擇930 ℃為本實(shí)驗(yàn)中TB9鈦合金棒材的最佳軋制溫度。

表3 軋制溫度和熱處理制度對TB9鈦合金棒材力學(xué)性能的影響

針對930 ℃軋制的TB9鈦合金棒材，又進(jìn)行了810 ℃×30 min/WQ+460 ℃×12 h/AC和810 ℃×30 min/WQ+560 ℃×12 h/AC的固溶時(shí)效處理，結(jié)果見表3。經(jīng)460 ℃×12 h/AC時(shí)效后的TB9鈦合金棒材強(qiáng)度最高，達(dá)到1 556 MPa，斷面延伸率為7.5%。而560 ℃×12 h/AC時(shí)效處理后，棒材抗拉強(qiáng)度為1 229 MPa，斷面延伸率為15.5%，可見當(dāng)時(shí)效溫度升高100 ℃后，合金強(qiáng)度下降幅度達(dá)300 MPa以上，但塑性卻提高了一倍。這是由于亞穩(wěn)β鈦合金在不同時(shí)效溫度下易形成ω和α兩種亞穩(wěn)相，且不同溫度下這兩種相的分布、尺寸和形貌均存在差異，造成了TB9鈦合金強(qiáng)度可以在較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。因此，通過不同的加工工藝和熱處理工藝能夠得到不同強(qiáng)度等級的TB9鈦合金棒材，獲得綜合性能較佳的高強(qiáng)度高塑性匹配。

3 結(jié) 論

(1)3種不同軋制溫度下獲得的固溶態(tài)TB9鈦合金基體顯微組織全部為等軸β相組織，軋制溫度越低，合金晶粒越細(xì)小，但易造成組織不均勻，同時(shí)組織中的析出物也較多，而提高軋制溫度至930 ℃能夠避免此類現(xiàn)象發(fā)生。

(2)軋制溫度對TB9鈦合金固溶處理后的強(qiáng)度影響范圍小于50 MPa，再經(jīng)510 ℃×12 h/AC時(shí)效后，抗拉強(qiáng)度大于1 300 MPa，屈服強(qiáng)度大于1 200 MPa，延伸率大于10%。

(3)經(jīng)930 ℃軋制和810 ℃×30 min/WQ固溶的TB9鈦合金棒材經(jīng)不同溫度時(shí)效處理后，合金的強(qiáng)度和塑性變化較大，時(shí)效溫度上升100 ℃，合金強(qiáng)度降幅在300 MPa以上，而塑性顯著提高。

[1] 萊茵斯 C，皮特爾斯 M．鈦及鈦合金[M]．陳振華，譯．北京：化學(xué)出版社，2005：240-253.

[2] Mantani Y, Tajima M.Phase transformation of quenchedα″ martensite by aging in Ti-Nb alloys[J].Material Science and Engineering A, 2006(438/440):315-319.

[3] 稀有金屬材料加工手冊編寫組．稀有金屬材料加工手冊[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1984：30.

國內(nèi)外新聞

攀鋼首次成功鍛制鈦管成品

8月25日，攀鋼集團(tuán)江油長城特殊鋼有限公司精鍛機(jī)組首次鍛制鈦管成品獲得成功。標(biāo)志著攀鋼集團(tuán)在重點(diǎn)、難點(diǎn)特殊品種成品鍛制方面取得了新進(jìn)展。2015年7月底，攀鋼集團(tuán)江油長城特殊鋼有限公司接到精鍛機(jī)直接鍛制某牌號鈦管成品的生產(chǎn)訂單。這是該公司精鍛機(jī)組首次承擔(dān)鍛制鈦管成品任務(wù)，因生產(chǎn)工藝復(fù)雜，操作難度大，公司組織了設(shè)備、技術(shù)及生產(chǎn)骨干人員，一方面對合同進(jìn)行評審和技術(shù)交底，另一方面按照合同要求精心準(zhǔn)備。在生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員緊盯設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整精鍛機(jī)組產(chǎn)能狀態(tài)，準(zhǔn)確控制加熱溫度和加熱質(zhì)量，為鈦管鍛制創(chuàng)造了良好的生產(chǎn)條件。同時(shí)，公司加強(qiáng)現(xiàn)場測控和研究，制定了鍛制鈦管成品專用工具和專門鍛制工藝，在鍛制過程中嚴(yán)格按照工藝要求精心操作，力求做到鍛制一支成功一支。據(jù)了解，該批次共7支鈦管成品順利鍛制完畢，一次性通過客戶質(zhì)量檢驗(yàn)并交付使用。

(秦勇)

Effects of Rolling Temperature and Heat Treatment on Microstrucures and Mechanical Properties of TB9 Titanium Alloy Rods

Guo Jinming,Ren Lu,Ni Peitong,Ma Xiqun,Zhu Meisheng,Wu Huan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)

The effects of rolling temperature and heat treatment on microstructures and mechanical properties of TB9 titanium alloy rods were studied in this research. The results indicate that the microstructure of the alloy is equiaxedβgrain when rolled at 800 ℃, 850 ℃ and 930 ℃ and then solid solutioned at 810 ℃ for 30 minutes. The grain size is uniform when the rolling temperature is 930 ℃. Rolling temperature has little influence on microstructures and mechanical properties of solid solutioned TB9 titanium alloy rods. After aged at 510 ℃ for 12 hours, the rods with different rolling temperatures have almost coherent mechanical properties, the tensile strength is above 1 300 MPa, the yield strength is above 1 200 MPa, and the ductility is above 10%, which can match the application required. Otherwise, as the aging temperature rised, the tensile strength of TB9 titanium alloy rods is reduced and the ductility is increased.

rolling temperature; heat treatment; TB9 titanium alloy; microstructure;mechanical properties

2015-03-03

郭金明(1981—)，男，工程師。