Ti75钛合金锻件热处理工艺对组织和性能的影响

引言

Ti75合金由西北有色金属研究院、中船重工725所和宝鸡有色金属加工厂在“七五”、“八五”期间共同研制730MPa强度等级新型近琢型中强、高韧、耐蚀、可焊接合金船用钛合金，名义成分Ti-3Al-2Mo-2Zr,国际牌号TA24,该合金在舰船、石油、化工、机械、生物工程等领域具有广泛应用[1-3]。该合金具有中等强度及良好的冷、热加工工艺性能，可焊接性优良[4]。

本文对Ti75合金热轧板材和锻件不同热处理状态的组织和性能进行研究，为使用单位提供技术资料。

1、试验材料和方法

本试验所使用的试验材料为宝鸡有色金属加工厂生产的热轧钛合金板。铸锭经β态开坯、多火次锻造，最终在两相区制备成150~240mm厚板坯，板坯为粗大的α+β两相区加工组织，再经过β转制成不同厚度的板材。β转制温度为P转+30~100丈，为了比较变形量对组织性能的影响，轧制时两相区变形选为30%~80%，轧后板材进行热处理，热处理温度为880℃，2h，空冷。本次试验选用厚板厚度δ=42mm;锻件采用法兰锻件，具体化学成分见表1。

本实验通过对板材及锻件进行不同温度、不同冷却方式处理，分析热处理后的金相组织变化特征，并对热处理后的力学性能进行对比分析，力学性能指标见表2。

机械抛光是制备所有钛合金金相试样的有效方法。本实验采用酸性水溶液进行腐蚀。100mL水+3mL的HF(浓度40%)和5mL的HN〇3(浓度65%)，采用金相显微镜对试样进行观察[7]。

2、试验结果与分析

2.1 热轧钛合金板材不同热处理制度金相组织特征热轧钛合金板交货状态金相组织如图1所示。交货状态为轧后板材进行热处理，热处理温度为880℃，2h，空冷。金相白亮组织为琢组织，暗色组织为β组织。从图1可以看出，由于β轧制的变形量较大，β晶界完全消失，形成了层片状的加工态变形组织，在进行880℃，2h，空冷的普通退火后，由于存在足够的再结晶驱动力，整个组织形态基本为部分等轴α+长条状α，组织细小均匀。

图2所示为Ti-75合金交货状态再进行880℃，2h，空冷，普通退火后的金相组织。经过充分的再结晶后，形成了大量等轴的块状琢α组织(亮），保留的轧制过程中形成的层片状结构变粗;少量存在的茁组织(暗）。

图3所示为钛合金板材交货状态再进行920℃，2h，空冷，普通退火后的金相组织。可以明显看出，由于退火温度较高，接近相变温度，再结晶驱动力很大，形成了大量等轴块状琢组织(亮），轧制过程中形成的侧片状结构消失，存在少量的β组织(暗)。图4是将钛合金板材在960℃保温2h炉冷后的金相组织。由于超过了相变温度，组织以等轴α组织+针状茁β转变组织。

2.2 热轧钛合金板材不同热处理制度力学性能特征

对上述不同退火状态的钛合金板材进行力学性能测试，测试结果见表3。由图5可以看出，经过长时间880℃退火，钛合金强度有所降低。这主要是由于退火过程中开始形成了块状琢组织，但是该组织并没有完全成为等轴α组织，这导致了强度的整体下降。继续提高回火温度时，随着回火温度提高强度不断提高，塑韧性、冲击性能有所降低，这主要是由于退火温度接近相变点，甚至高温相变温度，保留了大量的茁组织。

2.3 钛合金锻件不同热处理制度金相组织特征

钛合金锻件的生产过程是铸锭经β态开坯、多火次锻造，再经过普通退火处理，粗加工完成后即形成交货状态工件。图7是交货状态的钛合金锻件金相组织，退火态组织为等轴琢组织(亮)+少量β组织(暗）。根据等轴琢组织的不同位向关系，可以清晰看到晶界。

交货态钛合金锻件在880℃保温2h空冷后的金相组织见图8,金相组织较交货态没有发生大的变化，由于总退火时间延长，再结晶比较完全，形成的等轴琢组织同β转变组织界面非常清晰，同时β转变组织稍有增多。

交货态钛合金锻件在900益保温2h空冷后的金相组织见图9，等轴初生琢组织聚集长大，开始粗化，锻造流线基本消失，α转变组织开始增多，形成了双态组织。

交货态钛合金锻件在940益保温2h空冷后的金相组织见图10,等轴初生琢组织开始减少，β转变组织开始大幅增多，并形成了片层状β转变组织。

交货态钛合金锻件在960℃保温2h空冷后的金相组织见图11，由于退火温度超过了相变温度，等轴初生α组织消失，形成了全片层β转变组织。同样将钛合金在960℃保温2h后进行炉冷的金相组织见图12，在α区炉冷退火所形成的是粗片层β转变组织。

继续提高退火温度，将钛合金锻件在1020℃保温2h空冷后形成的金相组织见图13，由于退火温度较高，形成了非常细密的层片状β转变组织，原始β晶界特别明显，由于温度较高形成了六面体型晶界。

2.4 钛合金锻件不同热处理制度硬度特征

对不同热处理制度的钛合金进行硬度测试，测试结果如表4所示。

由图14可以看出，交货状态钛合金锻件在相变点温度以下进行退火空冷时，硬度随着退火温度变化不大，但由于经过较长时间退火，再结晶较充分，形成等轴α组织及β转变组织，硬度有所提升；当在相变点以上进行退火时，形成的细密层片状β转变组织硬度较高; 炉冷形成的粗片层β转变组织硬度较低。

综上所述，钛合金的硬度与组织的关系由高到低是：层片β转变组织>双态组织>等轴α组织。

3、结论

1)Ti-75合金随着退火温度提高组织形态变化较大，在相变点以下退火形成等轴琢组织及β转变组织;在相变点以上退火形成层片状β转变组织。

2)Ti-75合金板材随着退火温度的提高，强度明显提高;钛合金的硬度与组织的关系由高到低是:层片β转变组织>双态组织>等轴α组织。

[参考文献]

[1]那晓菲，王卫民，李雷.Ti-75合金的正交设计与强化机制[J].中国有色金属学报，2010,20(B10):550-554.

[2]罗秀文.铣工工艺学[M].北京:科学普及出版社，1982.

[3]赵永庆，葛鹏.钛及钛合金金相[M].长沙:中南大学出版社，2011.

[4]李长亮，赵永庆，丁桦，等.Ti75合金起塑压缩的力学行为及组织演变[J].稀有金属材料与工程，2002(6):476-479.

[5]王小翔，王韦琪，王俭，等.Ti-75合金茁轧制厚板的组织与性能[C]//全国钛及钛合金学术交流会，2005.

[6]杜磊，刘茵琪，孟祥军，等.Ti-75合金大规格环材的力学性能[C]//全国钛及钛合金学术交流会，2005.

[7]莱茵斯，皮特尔斯.钛与钛合金[M].北京：化学工业出版社，2005.