鍛造工藝對Ti-30Zr-5Al-3V合金顯微組織及性能的影響研究

文／李瑞鋒，張智鑫，楊慧麗，張偉，李巍，何書林·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

本文研究了經(jīng)不同鍛造工藝鍛制的Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材的四類顯微組織：魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織和等軸組織。通過相同的熱處理工藝處理后，研究不同顯微組織對應(yīng)的室溫和400℃高溫性能。研究結(jié)果表明：添加30%的Zr元素不會影響兩相鈦合金的相組成，通過適當(dāng)?shù)墓に嚳梢垣@得魏氏、網(wǎng)籃、雙態(tài)和等軸四類兩相鈦合金典型的組織類別；Ti-30Zr-5Al-3V合金的室溫強(qiáng)度約在1100MPa以上，但延伸率很低，只有10%左右；Ti-30Zr-5Al-3V合金的400℃高溫強(qiáng)度可達(dá)900MPa以上，延伸率在9%～16%，400℃高溫拉伸時的屈服強(qiáng)度約為700MPa。

鈦及鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度和優(yōu)異的抗腐蝕性能，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用極具吸引力。鋯屬于高熔點金屬，在地殼中含量約為0.025%，超過Ni、Zn、Sn、Cu、Co等工業(yè)上普遍使用的金屬。鋯材力學(xué)性能和工藝性能適合制造容器和換熱器，是化工行業(yè)中的重要結(jié)構(gòu)材料。在鈦金屬中加入鋯可強(qiáng)化α相，加入量小于65.6%時起降低(α+β）/β相轉(zhuǎn)變溫度的作用。鋯在α鈦和β鈦中均有較大的固溶度，屬于無限固溶類的一類中性元素，鋯元素的添加使鈦的室溫抗拉強(qiáng)度升高，塑性下降。很多文獻(xiàn)書籍中已經(jīng)介紹了Zr元素對鈦的影響，但加入量一般不大于15%。本文主要研究在鈦合金中加入30%的Zr元素后，不同的組織形態(tài)對其性能的影響。

實驗材料及方法

本實驗所用材料為經(jīng)二次真空熔煉的Ti-30Zr-5Al-3V鈦合金鑄錠，鑄錠的化學(xué)成分如表1所示，鍛造工藝設(shè)計如表2所示。經(jīng)四個不同工藝鍛制的φ100mm棒材機(jī)加、探傷切除缺陷后，切取橫向試樣。試樣進(jìn)行700℃/1h·AC的普通退火后，進(jìn)行室溫和400℃高溫力學(xué)性能檢測。棒材的實測相變點為855℃。

實驗結(jié)果及討論

在鈦合金特別是α+β雙相鈦合金中，可以觀察到各式各樣的組織，鈦合金的力學(xué)性能在很大程度上取決于這兩個相的比例、形態(tài)、尺寸和分布。目前，最典型且應(yīng)用最廣泛的TC4鈦合金的四種典型組織對應(yīng)的性能如表3所示。

表1 Ti-30Zr-5Al-3V合金鑄錠的化學(xué)成分(wt%)

表2 Ti-30Zr-5Al-3V合金棒材鍛造工藝設(shè)計

表3 TC4典型組織的室溫力學(xué)性能

由表3可以看出，不同的顯微組織對TC4的室溫性能有很大的影響。隨著α相尺寸的減小，棒材的強(qiáng)度有所降低，延伸率顯著提高。許多研究者認(rèn)為，復(fù)雜合金化鈦合金的強(qiáng)化水平是由加入的各種元素產(chǎn)生的強(qiáng)化疊加起來的，由此，通過計算可得TC4合金中Al強(qiáng)度當(dāng)量為9.8，Mo強(qiáng)度當(dāng)量為2.4，計算強(qiáng)度約為940MPa，這與其真實值基本相當(dāng)。對于Ti-30Zr-5Al-3V合金，按名義成分進(jìn)行計算，Al強(qiáng)度當(dāng)量為15，Mo強(qiáng)度當(dāng)量為1.76，進(jìn)而計算出該合金的強(qiáng)度值約為1220MPa。相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)：鈦鋯合金相對于純鋯和純鈦，合金熔點降低了，耐腐蝕性變強(qiáng)了，并且由于鈦鋯合金具有更細(xì)小的顯微組織，其強(qiáng)度和塑性都比純鋯和純鈦高。

通過表2設(shè)計的鍛造工藝，獲得了Ti-30Zr-5Al-3V合金的四類典型組織：魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織和等軸組織。通過分析不同組織形貌對應(yīng)的力學(xué)性能，積累Ti-30Zr-5Al-3V合金的性能特點。

不同鍛造工藝對顯微組織的影響

由圖1可以看出：添加了30%Zr的Ti-30Zr-5Al-3V合金屬于典型的α+β雙相鈦合金，其組織形貌與兩相鈦合金的組織類型一致，這與Zr元素是中性元素的結(jié)論是一致的。

1#工藝圖1(a）、1(b）為全β區(qū)變形組織，因此顯微組織可以清晰地看到原始β晶粒及三叉晶界，經(jīng)700℃/1h·AC退火處理后晶粒內(nèi)的α束集寬化，每個晶粒內(nèi)的α束取向趨于一致且平直并列，有少量編織狀組織。由圖1(a）、1(b）對比可以看出：經(jīng)1#工藝鍛制的棒材縱向α束集相對粗大，縱向α片層厚度約為5～8μm，橫向約為3～4μm。

2#工藝圖1(c）、1(d）為相變點附近變形組織，相變點上變形，α束集與晶界α相在壓應(yīng)力作用下呈編織狀排布，無明顯原始β晶界，α條相對較短且相互交錯，呈網(wǎng)籃狀。由圖1(c）和1(d）對比可以看出：經(jīng)2#工藝鍛制的棒材橫向編織狀網(wǎng)籃組織更細(xì)小。

圖1 Ti-30Zr-5Al-3V合金的不同鍛造工藝下的組織形貌

3#工藝圖1(e）、1(f）在相變點下有70%變形，初生α相沿晶界析出，呈等軸狀；次生α細(xì)小片層均勻分布在β轉(zhuǎn)變組織的基體上，初生α相含量約為40%。由圖1(e）和1(f）對比可以看出：經(jīng)3#工藝鍛制的棒材橫向初生α相更細(xì)小，含量較多。

4#工藝圖1(g）、1(h）在相變點以下有70%變形，片層狀α完全球化，α晶粒整體呈球狀和棒狀，初生α相含量約為80%。由圖1(g）和1(h）對比可以看出：經(jīng)4#工藝鍛制的棒材橫向α相更細(xì)小，含量較多。

不同鍛造工藝的力學(xué)性能對比

在經(jīng)4種工藝鍛制的棒材上分別切取縱、橫向試樣統(tǒng)一進(jìn)行700℃/1h·AC熱處理后，按GB/T 228.1-2010的試驗方法進(jìn)行檢測，其中室溫力學(xué)性能結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出：不同的組織類型對棒材的室溫力學(xué)性能影響很大，縱向的強(qiáng)度低于橫向，但延伸率則反之。其中魏氏組織的強(qiáng)度最高，可達(dá)1234MPa，延伸率最小，只有5%。等軸組織的強(qiáng)度最低，只有1105MPa，但延伸率可達(dá)12%。強(qiáng)度由高到低的排序為：魏氏組織＞網(wǎng)籃組織＞雙態(tài)組織＞等軸組織，延伸率由小到大的排序為：魏氏組織＜網(wǎng)籃組織＜雙態(tài)組織＜等軸組織。

由表5可以看出：經(jīng)700℃熱處理后，四種組織對應(yīng)的400℃高溫性能也有很大的差別，但室溫力學(xué)強(qiáng)度高的400℃高溫強(qiáng)度也高。魏氏組織的400℃高溫強(qiáng)度為1004MPa，而等軸組織的400℃高溫強(qiáng)度只有948MPa。由表4和表5的數(shù)據(jù)比對可知，室溫下Ti-30Zr-5Al-3V合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度值相差約為100MPa，但400℃時兩者的差值約為250MPa。

表4 Ti-30Zr-5Al-3V合金四種組織對應(yīng)的室溫力學(xué)性能

表5 Ti-30Zr-5Al-3V合金四種組織對應(yīng)的400℃高溫力學(xué)性能

結(jié)論

通過研究Ti-30Zr-5Al-3V兩相鈦合金的組織及性能特點，可以得出以下結(jié)論：⑴添加30%的Zr元素不會影響兩相鈦合金的相組成，通過適當(dāng)?shù)墓に嚳梢垣@得魏氏、網(wǎng)籃、雙態(tài)和等軸四類兩相鈦合金典型的組織類別；⑵Ti-30Zr-5Al-3V合金的室溫抗拉強(qiáng)度在1100MPa以上，但延伸率很低，只有10%左右；⑶Ti-30Zr-5Al-3V合金的400℃高溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)900MPa以上，延伸率在9%～16%，400℃高溫拉伸時的屈服強(qiáng)度約為700MPa。