退火溫度對鈦合金板材組織及硬度的影響

楊碧蕓，雷 楊，陳 肖

（西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201）

Gr.11鈦合金板材具有焊接性能好、硬度高、耐溫性能好、成形效果好等優(yōu)勢，在我國航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，促進了我國高科技技術(shù)的快速發(fā)展。本文所選鈦合金屬于一種中等強度的鈦合金，屬于α+β型鈦合金，因其性能良好而廣泛的應(yīng)用于飛機安定面、機翼等構(gòu)件[1，2]。雖然說該鈦合金具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并取得了較為顯著的成效，但是在熱處理方面還存在一些問題，使得鈦合金板材的組織和硬度變化較大。

基于此，本文以該鈦合金為研究對象，分析退火溫度對鈦合金板材顯微組織以及硬度的影響。

1 試驗原材料及過程

本文試驗所選的材料為二次真空自耗電弧爐熔煉的Gr.11鈦合金材料，經(jīng)過熱軋?zhí)幚砗笾苽涑?mm厚的鈦合金板材，將其進一步制作成20mm×10mm×1mm的板材若干個。通過金相法獲得該類型鈦合金的相變點為955℃。將樣材分成4組進行退火試驗，退火溫度分別設(shè)置為750℃、720℃、690℃和660℃，保溫1h后空冷處理，分別該鈦合金的顯微組織和硬度進行對比研究。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織特征

分別對鈦合金板材進行750℃、720℃、690℃和660℃的退火試驗，保溫1h空冷后觀察不同對照組板材顯微組織變化規(guī)律。試驗結(jié)果顯示：在660℃和690℃退火試驗組中，鈦合金板材的顯微組織變化差異較大，雖然鏡下均為α+β相的雙相組織，但是α相和β相的含量差異較大，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于退火溫度逐漸升高，對鈦合金板材中的細小組織影響較大，即次生的α相逐漸消融，而晶粒較為粗大的α相則繼續(xù)存在并逐漸緩慢生長，導(dǎo)致退火溫度從660℃至690℃時顯微組織變化較大。當退火溫度升至720℃時，此時的顯微組織存在明顯的變化，與早期變化相差較大，即次生α相不再是消融而是逐漸生長，多生長成鏈狀或者短棒狀結(jié)構(gòu)，并且β相也逐漸生長，逐漸將晶界上的α相吞并，使得晶粒呈不規(guī)則狀[3]。當退火溫度逐漸升高至750℃時，退火試驗鈦合金板材中的顯微組織由β相向α相轉(zhuǎn)化，β相含量明顯降低，而α相含量逐漸升高并且持續(xù)生長，逐漸開始出現(xiàn)片狀組織結(jié)構(gòu)。綜上所述，隨著退火溫度的逐漸升高，鈦合金板材中的α相和β相含量和形態(tài)發(fā)生了較明顯的改變，當退火溫度較低時，次生α相消融，隨著退火溫度的逐漸升高，α相逐漸生長，而β相含量逐漸降低。

2.2 板材硬度變化特征

分別對鈦合金板材進行750℃、720℃、690℃和660℃的退火試驗，保溫1h空冷后觀察不同對照組板材的硬度變化特征。本次試驗采用HVS-10型數(shù)顯小負荷維氏硬度測定實驗組板材的硬度。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，為了提高數(shù)據(jù)的真實可靠性，每個樣材中選取3個點進行硬度統(tǒng)計，最后求得3個數(shù)據(jù)的平均值代表該樣材的最終硬度。

在660℃×1h條件下板材的最終硬度為266，在690℃×1h條件下板材的最終硬度為258，在720℃×1h條件下板材的最終硬度為245，在750℃×1h條件下板材的最終硬度為253。

通過硬度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，退火溫度對鈦合金板材的硬度具有一定的影響，這可能與退火溫度較差不大有一定關(guān)系。雖然說退火溫度對鈦合金板材硬度的影響不太明顯，但總體上硬度差異與鈦合金板材的顯微組織變化相吻合，即二者之間存在一定的變化規(guī)律。

當退火溫度在660℃左右時，鈦合金板材中存在較多的次生α相，鈦合金板材的硬度較高；當退火溫度逐漸升高至690℃時，鈦合金板材中的次生α相逐漸消融，α相持續(xù)存在并生長，此時鈦合金板材的硬度相對較低；當退火溫度升高至720℃時，次生α相持續(xù)生長，β相也隨之生長，此時鈦合金板材的硬度最低；當退火溫度升高至750℃時，β相向α相轉(zhuǎn)化，此時鈦合金板材的硬度略有增加。綜上所述，鈦合金板材的硬度與顯微組織中次生α相、α相和β相的相對含量關(guān)系較大。

2.3 力學(xué)性能的變化特征

通過不同實驗組的退火試驗顯示，在660℃和720℃之間進行退火試驗時，鈦合金板材的抗拉強度總體變化不大，僅在690℃時略有降低。

總體上鈦合金板材的抗拉強度與熱軋?zhí)幚磉^程中板材的抗拉強度基本一致，而鈦合金板材的生長率和屈服強度隨著退火試驗溫度的逐漸升高而呈升高變化趨勢。當退火溫度由720℃逐漸升高至750℃時，鈦合金的抗拉強度和屈服強度也隨之相對升高，但是鈦合金板材的生長率逐漸降低。當退火溫度超過750℃時，鈦合金板材在拉伸試驗過程中出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象。

綜上所述，退火溫度的變化對鈦合金b板材的力學(xué)性能影響較大。

3 結(jié)語

綜上所述，當退火溫度由660℃向750℃變化時，鈦合金板材的顯微組織和硬度不斷變化，在660℃時次生的α相逐漸消融，較為粗大的α相繼續(xù)存在并緩慢生長；隨著溫度的逐漸升高，比較粗大的α相繼續(xù)緩慢生長并形成鏈狀或者短棒狀結(jié)構(gòu)，同時β相也逐漸升高，并逐漸吞并晶界上的α相而呈不規(guī)則狀，最后形成片狀的α相。退火溫度對鈦合金板材硬度的影響較小，隨著退火溫度的逐漸升高呈先降后升的變化規(guī)律，且在660℃時鈦合金板材的硬度最高，在720℃時鈦合金板材的硬度最低。本文通過退火試驗對鈦合金板材的顯微組織和硬度進行了研究，其研究成果有助于進一步分析該類鈦合金板材的鍛造工藝和力學(xué)性能，為更好地推廣使用該材料提供幫助。