退火工藝對熱軋態(tài)TA2組織性能的影響

李 壯，張潤奇，蔡一欽，劉慶琦，戴建科，張 利

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

鈦及鈦合金性能優(yōu)異，具有密度小、比強度高、耐蝕性能好、耐熱性能優(yōu)良、無磁等一系列特性，以其優(yōu)良的綜合性能應(yīng)用于航空航天、船舶、化工、生物醫(yī)學(xué)、建筑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，在國防軍工和國民經(jīng)濟的重要部門獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。工業(yè)純鈦是指具有不同雜質(zhì)含量的未合金化鈦，具有較高的塑形和優(yōu)良的成型工藝性能[2]，由于其具有良好的生物兼容性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域倍受青睞[3-4]。在不同牌號的工業(yè)純鈦中，TA2純鈦綜合力學(xué)性能適中，耐磨性能和耐腐蝕性能良好，在工業(yè)上最常用。在對工業(yè)純鈦的處理工藝中，通常利用其優(yōu)良的塑性和韌性對其冷軋或熱軋，以此提高強度。但熱軋之后的TA2內(nèi)部組織不均勻且內(nèi)應(yīng)力集中[5]，為使其硬度降低，塑韌性提高，常使用退火工藝處理[6-7]。研究退火工藝對TA2熱軋態(tài)顯微組織和力學(xué)性能的影響極為必要。

本文通過對TA2熱軋板試樣進行不同溫度的退火處理，觀察退火前后顯微組織，測量退火前后的維氏硬度和力學(xué)性能，研究了退火工藝對TA2熱軋態(tài)顯微組織及力學(xué)性能的影響。

1 實驗材料與方法

采用TA2純鈦為實驗材料，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 TA2試樣的主要化學(xué)成分 %

使用數(shù)控線切割機將TA2純鈦切割出13個10 mm×10 mm×15 mm塊用做金相試樣，12個1 000 mm×20 mm×5 mm塊用做拉伸試樣坯料。對這些試樣用SX1-5-10箱式電阻爐進行退火處理，每3個試樣為一組，保溫時間30 min，4種工藝如表2所示。

表2 TA2純鈦熱處理工藝 ℃

熱處理后的金相試樣經(jīng)磨拋、用腐蝕劑(10%HF+30%H2O2+50%H2O)腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡(Olympus)和掃描電鏡(ZEISS)下進行組織觀察。采用HV-50A維式硬度分析儀進行硬度測試，載荷1 kg。在Instron4206-006拉伸實驗機上對拉伸試樣進行拉力實驗。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

未經(jīng)退火處理的工業(yè)純鈦TA2熱軋板顯微組織如圖1所示。金相組織為長條狀變形α晶粒。這是由于TA2純鈦在受力壓軋過程中，其鑄態(tài)組織在外力作用下沿分切應(yīng)力方向發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大(圖1a)。掃描電鏡下，這些長條狀的α晶粒更加明顯，顯示出由于熱軋，原等軸狀晶粒已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的拉長了的形態(tài)特征(圖1b)。

圖1 退火處理前的TA2組織

經(jīng)熱處理后光鏡下的金相組織和掃描電鏡組織分別如圖2、圖3所示。光鏡下，經(jīng)過工藝Ⅰ處理后TA2純鈦的顯微組織中基本仍為長條狀變形晶粒(圖2a)，但在掃描電鏡下，可以清楚地觀察到在由于被軋制而沿切應(yīng)力生長的晶粒中有新晶粒產(chǎn)生，在長條狀的變形α相中出現(xiàn)了部分細小的等軸晶粒(圖3a)。光鏡下，經(jīng)過工藝Ⅱ處理后的TA2純鈦顯微組織中等軸晶粒數(shù)量增多，晶粒輕微長大且仍具有原長條形晶粒取向(圖2b)，而在掃描電鏡下，這種細小的等軸晶粒夾在長條狀的變形α相中，且晶粒尺寸也長大明顯(圖3b)。光鏡下，經(jīng)過工藝Ⅲ處理后的TA2純鈦顯微組織中，等軸晶粒增多、且等軸晶粒的尺寸與經(jīng)過工藝Ⅱ處理后的再結(jié)晶晶粒相比更為粗大(圖2c)，在掃描電鏡中，除了左邊的等軸晶粒以外，右邊的變形的長條α晶粒仍然明顯的存在(圖3c)。經(jīng)過工藝Ⅳ處理后的TA2純鈦的顯微組織變化明顯，基本已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為均勻的等軸晶粒，光鏡下，雖然還具有些許拉長的顯微組織特征，但相對較均勻且粗大的等軸晶粒特征非常明顯(圖2d)，掃描電鏡下，可以看到這種等軸晶粒完全長大，拉長了的晶粒已經(jīng)消失了，此時，等軸晶粒的尺寸最大(圖3d)。

圖2 退火處理后的TA2金相組織

本次實驗所用材料為TA2純鈦鑄錠經(jīng)過熱軋之后得到的純鈦板，其顯微組織為在外力擠壓作用下再結(jié)晶形成的長條狀變形α晶粒。晶粒內(nèi)部應(yīng)該還存在著因大變形量引起的少量孿晶[8-9]。原材料經(jīng)熱軋后，等軸α晶粒進一步拉長(圖1)，同時，在熱軋的冷卻過程中也會造成其內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力[10]。根據(jù)文獻[11]，TA2的再結(jié)晶溫度在520～600 ℃之間。但通過圖2a、圖3a可以看出經(jīng)過450 ℃×30 min退火處理后內(nèi)部組織中已經(jīng)產(chǎn)生部分細小的α晶粒，這是由于局部大變形量造成的大量形變儲存能大大降低了熱激活能，使再結(jié)晶過程中形核更容易發(fā)生，并且其內(nèi)部組織變形量的不均勻性導(dǎo)致變形量大的位置優(yōu)先形核，于是發(fā)生部分再結(jié)晶[12]。

圖3 退火處理后的TA2掃描電鏡組織

2.2 力學(xué)性能分析

TA2熱軋試樣未經(jīng)過退火處理和經(jīng)過4種退火工藝處理后的維氏硬度如圖4所示。

圖4 TA2熱軋試樣在不同工藝處理后的硬度

圖4中，試樣退火處理后硬度降低，且隨退火溫度升高，硬度降低明顯，由原來的Hv123降為Hv79。試樣的力學(xué)性能如表3所示。TA2試樣退火前，抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為456 MPa、345 MPa和19%，隨退火溫度升高，強度降低，而伸長率增高。經(jīng)過工藝Ⅰ處理后，試樣硬度較退火前略有降低，強度亦下降，而伸長率略有提高。隨著退火溫度的提高，試樣硬度降低明顯。經(jīng)工藝Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ退火處理后硬度較退火處理前均大幅度降低，強度也降低明顯，伸長率提高。工藝Ⅳ處理后硬度、強度均最低，伸長率最高，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為403 MPa、279 MPa和30%。

如前所述，純鈦TA2熱軋板還應(yīng)該存在孿晶，而孿晶對鈦的再結(jié)晶有促進作用。這是由于孿晶界是局部高能區(qū)，可提供合適的再結(jié)晶形核位置[13]。室溫激活孿晶誘發(fā)靜態(tài)再結(jié)晶細化晶粒，熱加工過程激活的孿晶同時誘發(fā)動態(tài)再結(jié)晶過程，動態(tài)再結(jié)晶細晶效果明顯，有助于獲得細小的等軸晶組織[13]。熱軋造成晶格畸變，使晶體缺陷增多、殘余應(yīng)力增加，最后導(dǎo)致硬度增高，達到最大值，強度也最高，伸長率最低。

TA2退火后顯微硬度大大降低[14-15]。因形變儲能造成的驅(qū)動力對組織的影響尤為顯著，450 ℃退火也使加工硬化得以消除。試樣得到了有效的軟化。而再結(jié)晶在組織中起了重要的作用[16]。經(jīng)過550 ℃×30 min退火處理后，組織發(fā)生再結(jié)晶。由于550 ℃相對于450 ℃退火處理因退火溫度升高，更多晶粒形核并長大，使其再結(jié)晶晶粒數(shù)量較多，尺寸較大，回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象非常明顯(圖2b、3b)。550 ℃退火后硬度、強度進一步降低，伸長率提高(圖4、表3)。經(jīng)過650 ℃退火后，組織中殘余應(yīng)力消除，回復(fù)再結(jié)晶過程基本完成，晶粒尺寸增加(圖2c、3c)，硬度、強度顯著降低，伸長率顯著提高。經(jīng)過750 ℃×30 min退火后，由于其組織內(nèi)部發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶和晶粒長大等一系列過程，組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦泳鶆虼执蟮牡容Sα晶粒(圖2d、3d)，硬度、強度大幅降低，與此同時，伸長率達到最高值(圖4、表3)。

表3 試樣退火前后的力學(xué)性能

退火溫度在550 ℃時，TA2純鈦顯微組織中等軸晶粒數(shù)量明顯的增多，硬度、強度降低的幅度和伸長率增高的幅度較大。在退火溫度高于550 ℃后，由于再結(jié)晶過程已經(jīng)基本完成，這些性能指標的變化不再顯著。因此，本實驗可以認為組織真正發(fā)生明顯的再結(jié)晶溫度為550 ℃。當750 ℃退火后，掃描電鏡下幾乎全部為尺寸較大的等軸晶粒，可以認為再結(jié)晶幾乎完成。此時，工藝Ⅳ處理后的試樣，抗拉強度和屈服強度降至403 MPa和279 MPa，而伸長率升至30%的最高值。

3 結(jié)論

(1)熱軋態(tài)TA2組織為長條狀變形α晶粒，完全回復(fù)再結(jié)晶之后組織由長條狀變形α晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虼执蟮牡容Sα晶粒。

(2)退火處理使熱軋態(tài)TA2發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶。熱軋態(tài)TA2退火前硬度、強度最高，伸長率最低，退火后硬度、強度降低，伸長率增高。經(jīng)過工藝Ⅰ處理，試樣硬度、強度略有下降，伸長率略有提高。經(jīng)工藝Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ退火處理后硬度、強度均大幅度降低，伸長率明顯提高。

(3)認為本實驗發(fā)生明顯的再結(jié)晶溫度為550 ℃。當750 ℃退火后，再結(jié)晶幾乎完成，獲得幾乎全部的尺寸較大的等軸晶粒。因此，550 ℃退火后性能指標變化明顯；750 ℃退火后，試樣抗拉強度、屈服強度和伸長率分別達到了403 MPa、279 MPa和30%較佳值。