退火溫度對(duì)TA6 合金棒材組織與性能的影響

文／王少陽，張雪敏，田程，張博，李巍，段曉輝·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

TA6(Ti-5Al)鈦合金是一種全α 型鈦-鋁二元系合金，含有5%鋁。因具有良好的焊接性、耐蝕性，在退火狀態(tài)下具有中等強(qiáng)度和足夠好的塑性，具有較高的蠕變強(qiáng)度，適用于在 400℃以下和存在浸蝕介質(zhì)的環(huán)境下工作，大多用于制造航空部門的高溫結(jié)構(gòu)部件、導(dǎo)彈彈頭蒙皮及常規(guī)武器裝備的結(jié)構(gòu)件及焊接件。該合金雖然有上述優(yōu)點(diǎn)，但是成形工藝可塑性較差，在生產(chǎn)中，對(duì)變形溫度極為敏感，熱加工窗口狹窄，熱加工過程中表面極易開裂，加工難度較大。

目前，國內(nèi)外對(duì)該合金的報(bào)道較少，只有少數(shù)鈦合金加工廠家生產(chǎn)TA6 合金板材。但是作為一種良好的焊接零件用鈦合金材料，TA6 鈦合金棒材的應(yīng)用極為廣泛。本文通過研究不同退火溫度對(duì)TA6 合金棒材組織和性能的影響，優(yōu)化其最佳的熱處理制度，為工業(yè)生產(chǎn)提供工藝指導(dǎo)。

試驗(yàn)材料及方法

本文試驗(yàn)所用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司采用2 次真空自耗電弧爐熔煉的TA6 鈦合金φ720mm鑄錠，其主要化學(xué)成分見表1。經(jīng)金相法測定其相變點(diǎn)為1023℃，鑄錠經(jīng)開坯鍛造、中間鍛造、成品鍛造，通過充分的變形，使原始晶粒完全破碎。采取逐級(jí)降溫的加熱方式，經(jīng)過2500t 鍛壓機(jī)多火次鍛造及SXP-13 徑向鍛造機(jī)的鍛造，生產(chǎn)出規(guī)格為φ75mm的成品棒材。

表1 TA6 合金鑄錠的化學(xué)成分(%)

在成品棒材上切取試樣坯，按照表2 的熱處理方案進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，熱處理在箱式電阻爐中進(jìn)行，按照國標(biāo)加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣、沖擊試樣，測試其室溫拉伸性能及沖擊性能，同時(shí)采用Axiovert 200MAT光學(xué)顯微鏡觀察不同熱處理制度下的顯微組織變化。

表2 TA6 鈦合金棒材的熱處理方案

試驗(yàn)結(jié)果與分析

退火制度對(duì)組織的影響

TA6 棒材不同部位的顯微組織如圖1 所示，由圖可見，經(jīng)過多火次的變形，原始β 晶粒得到充分的破碎，經(jīng)過回復(fù)再結(jié)晶，棒材邊部和心部的鍛態(tài)組織差異不大，均為均勻分布的α 組織。但是，φ75mm棒材的成形工藝采用的是精鍛成形，變形速度快，一次變形量小，棒材表面變形量大，而心部變形量相對(duì)較小，導(dǎo)致棒材邊部和心部的再結(jié)晶程度不同，棒材表面可完全再結(jié)晶，形成細(xì)小均勻晶粒，心部再結(jié)晶不完全，個(gè)別晶粒處于被拉伸，被破碎的不穩(wěn)定狀態(tài)，因此心部的晶粒較邊部略大，也存在個(gè)別拉長，等軸化程度不高的晶粒。同時(shí)，變形后由于棒材表面和心部的冷卻速率不同，會(huì)導(dǎo)致心部晶粒長大。

圖1 TA6 鈦合金φ75mm 棒材橫向R 態(tài)顯微組織

圖2 為TA6 棒材不同退火溫度下的顯微組織，由圖可以看出，合金經(jīng)過熱處理后，組織形貌及類型較鍛態(tài)組織無明顯區(qū)別，均為等軸α 組織。但是隨著退火溫度的不同，棒材α 相的均勻性有所不同，同時(shí)α 相尺寸略有不同：在750℃和775℃下退火后的顯微組織均勻性較差，顯微組織中仍存在拉長α與等軸α 交錯(cuò)分布；當(dāng)退火溫度升高至800℃時(shí)，α 相等軸化較好，且晶粒尺寸細(xì)小，均勻分布；當(dāng)退火溫度升高至825℃和850℃時(shí)，α 相晶粒尺寸逐漸長大，由于鍛造后儲(chǔ)存的畸變能不同，導(dǎo)致個(gè)別晶粒在較高溫度下退火時(shí)，晶粒發(fā)生再結(jié)晶后長大的尺寸不同，導(dǎo)致整個(gè)視場內(nèi)晶粒分布的不均勻性。

圖2 TA6 鈦合金φ75mm 棒材不同退火制度下的顯微組織

退火制度對(duì)力學(xué)性能的影響

⑴退火制度對(duì)室溫拉伸性能的影響。

TA6 鈦合金常用退火溫度范圍為750 ～850℃。本節(jié)研究在常用退火溫度范圍內(nèi)，不同溫度對(duì)其室溫拉伸性能的影響。圖3 是TA6 鈦合金不同退火制度下的力學(xué)性能，由圖可以看出，隨著退火溫度由750℃升高到800℃，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)相同規(guī)律，即隨著溫度的升高，強(qiáng)度升高；當(dāng)退火溫度繼續(xù)由800℃升高到850℃，隨著溫度的升高，強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢。而斷后伸長率和斷面收縮率隨著退火溫度由750℃升高到800℃，基本變化不大；當(dāng)退火溫度由800℃升高到850℃時(shí)，斷后伸長率和斷面收縮率均有明顯提升。塑性的變化規(guī)律與強(qiáng)度變化相對(duì)應(yīng)，符合材料強(qiáng)塑性變化規(guī)律。室溫拉伸性能的變化與顯微組織密切相關(guān)，退火溫度在800℃時(shí)，等軸α 相均勻細(xì)小分布，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。同時(shí)斷后伸長率是反映材料能夠承受塑性變形能力和加工硬化程度的指標(biāo)，反映出材料的均勻變形程度。

圖3 不同退火溫度對(duì)TA6 鈦合金室溫拉伸性能的影響

⑵退火制度對(duì)室溫沖擊性能的影響。

為研究TA6 鈦合金對(duì)缺口的敏感性，本小節(jié)研究了TA6 鈦合金在不同退火溫度下對(duì)沖擊性能的影響。圖4 為不同退火溫度下合金的沖擊性能，由圖可以看出，退火溫度由750℃升高到800℃時(shí)，合金的沖擊吸收功基本不變，保持一定水平，可達(dá)到51.5J；當(dāng)退火溫度由800℃升高到850℃時(shí)，合金的沖擊吸收功明顯增加，可達(dá)63J。這一變化規(guī)律與該合金在不同退火溫度下的顯微組織相對(duì)應(yīng)，退火溫度在825℃和850℃時(shí)，由于α 相尺寸長大程度不同，造成個(gè)別晶粒較大，細(xì)小晶粒與長大的不規(guī)則晶粒交錯(cuò)在一起，當(dāng)在缺口根部由于受到較大沖擊力，同時(shí)，沖擊加載在缺口根部形成很高的應(yīng)變速率，增加了裂紋的擴(kuò)展與斷裂的瞬間選擇性，因此在退火溫度較高的情況下，其沖擊性能較高。對(duì)于中強(qiáng)度TA6 合金，其沖擊性能在很寬的工程應(yīng)用溫度范圍內(nèi)都很高。

圖4 退火溫度對(duì)TA6 合金沖擊性能的影響

結(jié)束語

⑴TA6 鈦合金顯微組織隨著退火溫度的升高，α 相的均勻性及等軸化程度提高，當(dāng)退火溫度超過800℃時(shí)，晶粒尺寸有長大趨勢。

⑵TA6 鈦合金棒材的強(qiáng)度隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，塑韌性變化趨勢與之相反，退火溫度為800℃時(shí)，為性能的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該溫度下強(qiáng)塑性匹配最佳。

⑶退火溫度由750℃升高到800℃時(shí)，TA6 鈦合金的沖擊吸收功基本不變，當(dāng)退火溫度由800℃升高到850℃時(shí)，合金的沖擊吸收功明顯增加。