熱處理工藝對(duì)BT3-1鈦合金棒材組織性能的影響

韓偉松，李永林，沈立華，黃旭剛，李建鋒，李守平，李小飛

（1.寧夏中色金航鈦業(yè)有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山 753000）

鈦及鈦合金因具有高比強(qiáng)度、耐腐蝕、易焊接和良好的抗裂紋擴(kuò)展能力等[1]。BT3-1是蘇聯(lián)研制的是一種高強(qiáng)馬氏體α+β雙相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si。主要應(yīng)用于安東諾夫大飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，是應(yīng)用成熟的熱強(qiáng)性鈦合金，同時(shí)該合金室溫強(qiáng)度較高且加工性能優(yōu)良[2]。與Ti-64相比，BT3-1鈦合金利用鉬、鐵元素代替較高成本的釩元素作為β穩(wěn)定元素，使其強(qiáng)度與TC4相當(dāng)?shù)那闆r下，伸長(zhǎng)率略高。BT3-1作為一種可熱處理強(qiáng)化的雙相鈦合金，不同的熱處理產(chǎn)生不同的組織結(jié)構(gòu)，也就決定了最終成品棒材的力學(xué)性能和工藝性能。因客戶對(duì)不同使用工況的棒材產(chǎn)品提出了不同的性能指標(biāo)，因此需要針對(duì)客戶的不同要求確定最適宜的熱處理制度，才能確保BT3-1棒材的性能滿足客戶要求。因此，本文研究了BT3-1鈦合金棒材的不同熱處理制度對(duì)顯微組織、力學(xué)性能的影響，探索不同熱處理制度對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，從而指導(dǎo)生產(chǎn)，確定出適用于不同工況需求的最佳熱處理制度。

1 室驗(yàn)材料及工藝

（1）材料準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)所用的主要原輔材料有海綿鈦和中間合金，中間合金采用鋁鉬二元合金，高純鋁豆，純鐵釘，二氧化二鈦和金屬鉻粉。原輔材料經(jīng)混布料系統(tǒng)混均后，在6000t油壓機(jī)上壓制成塊狀電極，塊狀電極經(jīng)過(guò)組焊后制備成自耗電極，最后經(jīng)過(guò)ALD 3t真空自耗電弧爐內(nèi)三次熔煉后制備得到Φ600mm的BT3-1鈦合金鑄錠。鑄錠經(jīng)過(guò)相變點(diǎn)以上開(kāi)坯β鍛造和兩相區(qū)鍛造共計(jì)6火次的鍛造后，再經(jīng)過(guò)徑鍛后得到φ46mm的BT3-1鈦合金棒材。

（2）試驗(yàn)方法。在BT3-1鈦合金φ46mm成品棒材上切取120mm長(zhǎng)的試棒作為力性試樣，切取20mm長(zhǎng)的試棒作為顯微組織試樣，經(jīng)4種不同熱處理后完成熱處理試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)內(nèi)容主要是測(cè)試不同熱處理制度下的顯微組織、室溫拉伸性能。本實(shí)驗(yàn)熱處理設(shè)備采用具有2級(jí)精度的箱式電阻爐，溫度誤差在±5℃之內(nèi)，采用Leica MM-6金相顯微鏡觀察材料的顯微組織，采用INSTRON 4505萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定拉伸性能。4種不同的熱處理實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 熱處理實(shí)驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同熱處理制度下BT3-1棒材顯微組織的變化

由圖1可明顯發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)4種不同熱處理后BT3-1鈦合金棒材的顯微組織均為等軸組織，主要由初生α相+β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，由于4種熱處理的加熱制度、保溫時(shí)間、冷卻方式不同，從圖中可以觀察到等軸組織的形態(tài)、初生α相和β相的含量、尺寸等具有較大的差異。如圖1（a）所示，BT3-1鈦合金棒材經(jīng)過(guò)850℃/1h空冷后，初生α相大多數(shù)發(fā)生了較大的扭曲和拉長(zhǎng)，只有少部分保持了等軸，同時(shí)在β轉(zhuǎn)變組織中析出了一些細(xì)小的球狀次生α相。BT3-1鈦合金棒材在α+β兩相區(qū)的上部經(jīng)過(guò)930℃/1h空冷，550℃/4h空冷后初生α相數(shù)量明顯減少，大約30%左右，大多呈現(xiàn)出等軸態(tài)，只有少部呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀，β轉(zhuǎn)變組織出現(xiàn)了大量的針狀次生α相，具體如圖1（b）所示。如圖1（c）所示，BT3-1鈦合金棒材經(jīng)過(guò)870℃/1h爐冷，650℃/4h空冷后后初生α相數(shù)量顯著增加，整個(gè)顯微組織為等軸α+晶間β。BT3-1鈦合金棒材在α+β兩相區(qū)的下部經(jīng)過(guò)850℃/1h水冷，550℃/4h空冷的固溶時(shí)效處理后，整個(gè)組織為片狀初生α相和β轉(zhuǎn)，在β轉(zhuǎn)基體上析出了大量細(xì)小的針狀次生α相，呈現(xiàn)出交叉排列的特征，具體如圖1（d）所示。

通過(guò)對(duì)比4種不同熱處理實(shí)驗(yàn)的顯微組織，發(fā)現(xiàn)：BT3-1鈦合金棒材經(jīng)普通退火熱處理后，其組織主要是扭曲變形的長(zhǎng)條α相和少量的等軸α相+β轉(zhuǎn)。在BT3-1合金兩相區(qū)上部的930℃進(jìn)行一，最終經(jīng)雙重退火后的顯微組織表現(xiàn)為少量等軸的初生α相和大量的β相，以及析出的α針。雙重退火相比較普通退火，初生α相的數(shù)量要少的多如圖1（a）（b）。由于爐冷過(guò)程中冷卻速度慢，在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，多型性轉(zhuǎn)變進(jìn)行的充分，所有的α相均變得粗大，由于α相傾向于在原α相界面生核、長(zhǎng)大，顯微組織均為等軸α相和少量的扭曲片狀α，且初生α相數(shù)量很大，以致在顯微組織上看不到轉(zhuǎn)變了的β相形態(tài)，僅看到等軸初生α相之間的次生α相如圖1（c）。水冷固溶時(shí)從高溫固定下來(lái)的亞穩(wěn)定β相數(shù)量較多，在隨后的時(shí)效過(guò)程中亞穩(wěn)定β相分解出少量細(xì)小的次生α相，分布在β晶粒內(nèi)部[3，4]如圖 1（d）。

2.2 不同熱處理制度下BT3-1棒材力學(xué)性能的變化

由表2可以看出：BT3-1鈦合金棒材分別經(jīng)過(guò)以上4種不同熱處理后，材料拉伸性能存在較大的差異，經(jīng)普通退火后該材料的綜合性能較好，且普通退火操作方便經(jīng)濟(jì)，所以推薦采用。經(jīng)雙重退火熱處理后，該材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高了80MPa左右，但塑性基本保持不變。經(jīng)等溫退火熱處理后該材料的強(qiáng)度最低而塑性最高，延伸率可以達(dá)到23.5%，但與雙重退火相比較其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度約下降了120MPa和60MPa，所以對(duì)于塑性及沖擊韌性要求較高的產(chǎn)品可以選擇等溫退火。經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后該材料強(qiáng)度最高、而塑性最低，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為1400MPa和1200MPa左右，但塑性最差為9%。

表2 不同熱處理制度后的力學(xué)性能

影響棒材力學(xué)性能的主要因素有成分配比和組織形態(tài)，且對(duì)組織形態(tài)最敏感的指標(biāo)是塑性，特別是斷面收縮率，片狀組織與等軸組織相比較，斷面收縮率的下降可達(dá)到70%～80%，伸長(zhǎng)率下降為40%～50%，而抗拉強(qiáng)度的變化不超過(guò)10%～20%[5]。普通退火和等溫退火后的組織中等軸α體積百分比較大，增強(qiáng)了抗裂紋萌生的能力，而經(jīng)過(guò)雙重退火和固溶時(shí)效處理后的組織中片狀組織體積百分比較大，提高了抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，從而提高材料的強(qiáng)度。雙重退火和等溫退火獲得的材料塑性相差不大，但抗拉強(qiáng)度卻相差9%左右，這主要是由于初生α相和細(xì)小的針狀次生α相彌散分布，造成較高的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。說(shuō)明熱處理溫度和冷卻方式對(duì)BT3-1鈦合金材料的強(qiáng)度、塑性影響比較明顯。

綜上可以看出：BT3-1合金材料經(jīng)850℃普通退火處理后可以保證材料強(qiáng)塑匹配好，且其操作簡(jiǎn)便；經(jīng)過(guò)930℃保溫1h后空冷然后550℃保溫4h后空冷的雙重退火熱處理后可以得到好的強(qiáng)度和塑性綜合性能；經(jīng)過(guò)870℃保溫1h爐冷至650℃保溫4后空冷的等溫?zé)崽幚恚牧纤苄钥蛇_(dá)到23%；經(jīng)固溶時(shí)效熱處理后的材料可以保證較高強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)4種不同熱處理溫度和冷卻方式的熱處理后，BT3-1合金棒材的微觀組織形態(tài)、各相的含量及尺寸發(fā)生了較大的變化，但其組織均為等軸組織，主要由初生α相+β相構(gòu)成。

（2）BT3-1合金棒材采用普通退火后綜合性能好，操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)；經(jīng)過(guò)850℃/1h水冷+550℃/4h空冷固溶時(shí)效處理后材料的強(qiáng)度最高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到了1400MPa和1200MPa；經(jīng)過(guò)870℃/1h爐冷+650℃/4h空冷等溫退火處理后材料的塑性最好，延伸率為23.5%。