時(shí)效處理對(duì)鈦合金棒材組織及性能的影響

陳 肖，楊碧蕓，雷 楊

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

Gr.23鈦合金具有較好的力學(xué)性能、耐熱性能、耐腐蝕性能、優(yōu)越的抗氧化性能和較好的焊接等能力而被廣泛的應(yīng)用于不同領(lǐng)域，尤其是航空航天科技以及其他尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)我國科技發(fā)展及科技強(qiáng)國具有重要的促進(jìn)意義。鈦合金棒材的優(yōu)越性能離不開棒材的鍛造工藝和實(shí)效熱處理[1，2]，不同的生產(chǎn)工藝對(duì)鈦合金的顯微組織和性能影響差異較大，雖然我國在鈦合金制作工藝以及應(yīng)用方面取得了較好的成果，但隨著社會(huì)發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)性能更好、穩(wěn)定的鈦合金棒材需求量更大。因此，為了尋求綜合性能良好的鈦合金棒材就必須研究實(shí)效熱處理對(duì)鈦合金棒材組織和性能的影響，進(jìn)而確定出最優(yōu)性能產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝?；诖?，本文以鈦合金棒材為研究對(duì)象，分析實(shí)效處理對(duì)鈦合金棒材組織及性能額影響，為制定鍛造工藝提供支撐。

1 試驗(yàn)原材料及過程

本文所選用的試驗(yàn)材料包括Gr.23鈦合金鑄錠，對(duì)試驗(yàn)樣材經(jīng)過鍛造處理制成φ50mm的鈦合金棒材若干個(gè)，試驗(yàn)過程中通過改變實(shí)效制度對(duì)該棒材進(jìn)行組織及性能影響研究。在試驗(yàn)開始之前，分別對(duì)制備好的同一類鈦合金棒材進(jìn)行1h固溶處理，溫度分別為650℃、700℃、750℃，再優(yōu)選出固溶溫度最佳的棒材進(jìn)行時(shí)效處理，設(shè)置時(shí)效溫度為450℃和500℃，時(shí)效時(shí)間為24、20、16、12、8h，空冷后觀察鈦合金棒材的顯微組織以及性能變化規(guī)律，著重對(duì)Gr.23鈦合金的顯微組織和拉伸性能進(jìn)行了分析，為制定更加優(yōu)越的鍛造工藝提供一套可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固溶溫度對(duì)棒材顯微組織的影響

將制備好的Gr.23鈦合金棒材分別在650℃、700℃、750℃溫度下處理1h后空冷固溶處理，進(jìn)行固溶溫度試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著固溶溫度的升高，β鈦合金隨之升高，且初生α相由顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻罨蛘邨l狀，直至全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷Ｔ?50℃和700℃條件下，棒材固溶不完全，因此晶粒未發(fā)現(xiàn)完全再結(jié)晶，即在β相中混合了較多的α相，隨著固溶溫度的持續(xù)升高，α相含量逐漸降低；當(dāng)固溶溫度持續(xù)上升至750℃時(shí)，晶粒發(fā)生了完全再結(jié)晶，α相基本完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，β晶粒呈近等軸狀，此時(shí)棒材的固溶效果最好。因此，在做進(jìn)一步時(shí)效處理時(shí)采用750℃固溶處理，目的在于充分的固溶可以促進(jìn)α相的完全析出，對(duì)鈦合金棒材起明顯的強(qiáng)化作用。

2.2 時(shí)效制度對(duì)棒材顯微組織的影響

根據(jù)上文固溶溫度試驗(yàn)結(jié)果，本文選擇750℃×1h作為本次試驗(yàn)的固溶制度，進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)。分別在450℃和500℃條件下保溫24、20、16、12、8h后空冷進(jìn)行顯微組織觀察。試驗(yàn)結(jié)果表明：在500℃條件下保溫8h和12h的時(shí)效處理后，含有少量的α相，隨著時(shí)效時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)，α相析出量略有增加，顯微組織中以大量的β相；當(dāng)時(shí)效溫度較高時(shí)，理論析出溫度與實(shí)際時(shí)效溫度差值（過冷度）相對(duì)較小，導(dǎo)致形核驅(qū)動(dòng)力小，使得α相不容易形核；當(dāng)時(shí)效時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，早期已經(jīng)形核的α相逐漸長(zhǎng)大，局部區(qū)域形成黑斑；總體而言，在500℃的溫度下進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)，棒材中的α相未能完全析出，棒材的顯微硬度較低。在450℃條件下保溫8h和12h的時(shí)效處理后，顯微照片中呈現(xiàn)出大量彌散的α相晶粒，隨著時(shí)效時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)，鈦合金棒材中析出的α相逐漸長(zhǎng)大并呈黑色斑塊狀；當(dāng)時(shí)效溫度逐漸降低時(shí)，由于時(shí)效溫度過冷度較大，導(dǎo)致晶體形核驅(qū)動(dòng)力明顯增大，使得α相更加容易形核[3，4]；隨著時(shí)效時(shí)間增加，α相不僅從晶界析出，而且在晶內(nèi)也大量析出；總體上，在450℃溫度條件下進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)時(shí)，鈦合金棒材中的α相析出較為充分，并且在時(shí)效時(shí)間為20h時(shí)，棒材的顯微硬度最大。

2.3 時(shí)效制度對(duì)棒材性能的影響

根據(jù)上文固溶溫度試驗(yàn)和顯微組織試驗(yàn)結(jié)果，選擇750℃×1h+450℃×20h和750℃×1h+500℃×20h兩種條件下進(jìn)行鈦合金棒材的拉伸性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：500℃時(shí)效后行鈦合金棒材的強(qiáng)度降低了40%左右；在450℃條件下進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)時(shí)，棒材中彌散有大量的α相晶粒析出，直至?xí)r效時(shí)間為20h后析出的α相明顯長(zhǎng)大，對(duì)鈦合金棒材起到了明顯的強(qiáng)化作用，此時(shí)Gr.36鈦合金棒材的強(qiáng)度明顯升高，棒材的塑性性能較低，總體上鈦合金棒材的性能滿足企業(yè)生產(chǎn)要求；在500℃條件下進(jìn)行時(shí)效試驗(yàn)時(shí)，鈦合金棒材中的α相未能完全析出，棒材的顯微照片中以β相為主導(dǎo)地位，此時(shí)鈦合金棒材的強(qiáng)化效果較差，但棒材的塑性相對(duì)較高。綜上所述，在750℃×1h+450℃×20h條件下Gr.23鈦合金棒材的顯微組織與性能具有較好的匹配性，因此在該條件下生產(chǎn)的鈦合金棒材具有更優(yōu)越的性能。

3 結(jié)束語

綜上所述，Gr.23鈦合金的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有積極的促進(jìn)作用，性能更加優(yōu)越的鈦合金棒材在高科技發(fā)展領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文分別在不同的時(shí)效條件下對(duì)鈦合金棒材進(jìn)行了固溶溫度和實(shí)效制度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得出在750℃×1h條件下進(jìn)行固溶處理后鈦合金棒材固溶效果最佳，在750℃×1h+450℃×20h條件下進(jìn)行固溶實(shí)效處理后，Gr.23鈦合金棒材的顯微組織與性能具有較好的匹配性，所生產(chǎn)的鈦合金棒材性能更加優(yōu)越。通過本文的研究表明，不同鈦合金在不同固溶溫度和實(shí)效制度下所呈現(xiàn)的顯微組織和性能差異較大，物理力學(xué)性能差異明顯。因此，針對(duì)不同用途要求的棒材需進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)，以便于確保生產(chǎn)的棒材綜合性能最優(yōu)。