熱處理工藝對TA24 鈦合金棒材顯微組織及性能的影響

文／張歡，周娜，鄭鵬飛，屠孝斌，張雪敏，李巍·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

TA24(Ti75)是低合金化Ti-3Al-2Mo-2Zr，系具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的近α 型合金，含有3%的α 穩(wěn)定元素Al，對α 相起固溶強(qiáng)化作用；含有2%的β 穩(wěn)定元素Mo，起到強(qiáng)化β 相并改善工藝塑性的作用；還含有中性元素Zr，改善金屬的焊接性能。TA24鈦合金名義成分的鋁當(dāng)量為3.5，鉬當(dāng)量為2，其主要性能特點(diǎn)是具有比TA5 更高的強(qiáng)度和更好的工藝塑性。該合金還具有良好的焊接性能和耐腐蝕性能。

TA24鈦合金最適合于制造形狀復(fù)雜的板材沖壓、焊接零部件，在艦船和醫(yī)用領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，其主要半成品是板材、管材、棒材、鍛件、型材。本文采用我公司生產(chǎn)的小規(guī)格棒材，研究TA24 合金棒材熱處理制度以及組織與力學(xué)性能之間的匹配關(guān)系，為工業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)幫助。

試驗(yàn)材料及方法

為了進(jìn)一步研究熱處理工藝與組織性能之間的匹配關(guān)系，試驗(yàn)采用寶鈦集團(tuán)真空自耗電弧爐經(jīng)過二次熔煉的φ296mm 小型鑄錠在兩相區(qū)鍛造的φ16mm棒材，采用線切割取樣，取樣部位均為棒材頭部中心部位，合金化學(xué)成分如表1 所示。在棒材上截取樣段進(jìn)行750 ～900℃不同溫度及時(shí)間的熱處理試驗(yàn)，方案如表2 所示。試驗(yàn)顯微組織在Axiovert200 MAT 光學(xué)顯微鏡上觀測，室溫拉伸性能在Instron5885 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，室溫沖擊韌性在JNS-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

表1 TA24 鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 TA24 鈦合金棒材熱處理制度

試驗(yàn)結(jié)果及分析

退火對顯微組織的影響

圖1 為經(jīng)過不同溫度和時(shí)間熱處理后的退火組織，可以看出TA24 鈦合金棒材經(jīng)過不同溫度退火之后，組織為α 相與β 轉(zhuǎn)變相，對比圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)、圖1(d)可以看出：隨著退火溫度的升高，其初生等軸α 相等軸化程度提高，初生α 相含量降低，再結(jié)晶晶粒長大，還伴隨有次生α 相增多。對比圖1(a)和圖1(e)，當(dāng)溫度在750℃時(shí)，隨著退火時(shí)間的延長，顯微組織變化不大。對比圖1(b)、圖1(c)與圖1(f)、圖1(g)，當(dāng)溫度在800 ～850℃時(shí)，隨著退火時(shí)間的延長，α 相開始溶解，β 相含量增加。對比圖1(d)和圖1(h)，當(dāng)退火溫度在900℃時(shí)，隨著退火時(shí)間的延長，α 相晶粒明顯長大。

圖1 TA24 棒材經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試樣整體按表2 所示制度熱處理后，室溫拉伸力學(xué)性能見表3。如圖2 所示，TA24 合金的抗拉強(qiáng)度與規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度隨退火溫度升高而下降，在保溫2h 時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了25MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度降低了25MPa。在保溫4h 時(shí)，抗拉強(qiáng)度降低了45MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度降低了30MPa。這是由于溫度升高導(dǎo)致TA24 合金組織內(nèi)α 相的尺寸隨溫度升高而變大，同時(shí)還伴有部分α 相的溶解及β 相成分的變化。隨著保溫時(shí)間的延長這種變化會(huì)更加明顯。晶粒尺寸的增大讓合金的力學(xué)性能降低，且合金處在較長的保溫時(shí)間下組織內(nèi)次生α 相已經(jīng)充分析出并長大，溫度越高，次生α 相粗化程度越大。

圖2 抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度

表3 不同熱處理制度的室溫拉伸力學(xué)性能

TA24 合金的塑性隨著退火溫度的升高呈增長趨勢，如圖3 所示。在保溫2h 時(shí)，斷后伸長率共增長了1%，斷面收縮率共增長了2%。在保溫4h 時(shí)，斷后伸長率共增長了2%，斷面收縮率共增長了3%。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，合金中的初生α 相含量逐漸下降，雖然從合金的β 相轉(zhuǎn)變組織中析出次生α 相，能夠提升合金強(qiáng)度，但由于合金中等軸初生α 相含量下降較多，原始β 相晶粒進(jìn)一步長大，析出的次生α 相引起的強(qiáng)度增加弱于由組織粗化引起的強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致TA24 鈦合金室溫力學(xué)性能降低、塑性提高。這種變化隨著保溫時(shí)間的延長更加明顯。

圖3 斷面收縮率和斷后伸長率

由圖4 可知，750 ℃和900 ℃時(shí)沖擊值最高，800℃時(shí)次之，850℃沖擊值最低。隨保溫時(shí)間延長，沖擊指標(biāo)先下降后升高。900℃×4h/AC 的熱處理制度沖擊值最高。當(dāng)退火溫度在800 ～850℃時(shí)，隨著熱處理溫度升高，初生α 相體積分?jǐn)?shù)減小，β 相的體積分?jǐn)?shù)增大，并且α 相和β 相的晶粒尺寸逐漸增大，導(dǎo)致抗斷裂韌性下降。當(dāng)溫度升高到900℃時(shí)，顯微組織由β 相轉(zhuǎn)變組織占主導(dǎo)地位。形變畸變能釋放，再結(jié)晶晶粒增多，次生α 相長大，相界面增多。由于β 轉(zhuǎn)變組織呈多變形，裂紋擴(kuò)展時(shí)在合金組織中的擴(kuò)展路徑延長，抗斷裂韌性升高。

圖4 抗斷裂韌性

結(jié)論

本文主要對兩相區(qū)加工的TA24 鈦合金棒材進(jìn)行了不同溫度及時(shí)間的退火熱處理，確定了力學(xué)性能和顯微組織與退火溫度的關(guān)系，具體結(jié)論如下：

⑴TA24 鈦合金隨著熱處理溫度的升高，不僅有再結(jié)晶晶粒的長大，還伴隨有α 相的溶解和β 相成分的變化；

⑵隨熱處理溫度提高，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)略有降低，斷面收縮率指標(biāo)升高；

⑶根據(jù)對熱處理制度研究發(fā)現(xiàn)，750℃和900℃時(shí)沖擊值最高，800℃時(shí)次之，850℃沖擊值最低。