航空化工GR5钛合金板塑性降低的原因分析

GR5是典型的α+β型钛合金，是由美国的Illinois技术研究所于20世纪50年代开发出来的，是最早生产的钛合金之一。由于GR5钛合金具有良好的综合性能，可以广泛应用于航空、航天、化工、电力、医疗等领域，目前在使用的钛合金中占比超过50%。金属材料拉伸断后伸长率是衡量材料塑性的一个重要指标，某厚度为1.6mm的退火态GR5钛合金板进行室温拉伸性能测试，结果如表1所示，其屈服强度及抗拉强度均满足ASTMB265-13的要求，但断后伸长率明显低于标准要求。

为了分析其塑性降低的原因，对该GR5钛合金板的化学成分、显微硬度及微观组织形貌进行了分析。

1、理化检验

1.1化学成分分析

从GR5钛合金板上取样进行化学成分分析，结果见表2。从化学成分检验结果可知，该GR5钛合金板的化学成分除氢元素外，其余元素含量均在标准范围内，而氢元素含量比标准值高0.002，超出标准值13.33%。

1.2显微硬度测试

GR5钛合金板经打磨抛光后在401MVD型显微硬度测试，试验载荷1.96N,加载时间30s。测试时沿试样厚度方向移动，每间隔约0.11mm测试一次，测试位置如图1所示，测试结果见表3。由表3可知，该GR5钛合金板靠近上下表面的硬度较高，靠近中心部位硬度逐渐降低。

1.3金相检验

GR5钛合金板经打磨、抛光、腐蚀后在GX51型光学显微镜下观察其显显微组织.结果如图2所示。可见其显微组织为α+β两相区加工形成的良好弥散的组织，无完整原始β晶界上连续的网状α，无粗大拉长的片状α，组织类型为等轴α，微观组织结构未见异常。

1.4扫描电镜检验

对GR5钛合金板在扫描电镜（SEM）下进行观察.结果如图3所示，可观察到该钛合金板由表及里的微观形貌未见差异。

对图3所示区域有表及里对钛、铝、钒、氧4种元素进行能谱扫描（EDS），结果如图4所示。从图4可以看出试样中的钛、钒2种主要元素的含量未见异常，但氧元素含量在接近表面处有明显超高的现象存在，而钒元素含量则表现出降低。

2、综合分析

化学成分分析结果表明，GR5钛合金板的氢元素含量超过标准值规定。适量的氢可以改善钛合金的热加工性能，但如果含量超过标准GR5合金会表现出低应变脆性敏感性，使材料表现出一定的氢脆，导致材料塑性降低。这是因为氢在钛中的扩散速度很快，它会与钛形成一种β共晶系，降低材料塑性。这与GR5钛合金板氢含量超标，而室温拉伸性能的断后伸长率低于标准值的表现是一致的。钛合金中合理的氢来源主要有3个：不合适的酸洗处理和化学铣削，在过高的温度下与氢接触的环境中使用钛。该材料还未加工成型使用，因此其中的氢来源应该属于前两种，但由于其工艺流程不可控，无法明确是酸洗还是化学铣削造成的。此外式样的金相及扫描电镜观察均为发现异常组织结构存在，但硬度测试却发现两表面硬度偏高，同时能谱扫描也发现试样表面氧含量超高，说明氧元素在试样表面存在富集偏集，表现为氧元素含量超高，而铝元素含量降低，最终导致钛合金延伸率、断面收缩率降低，硬度增高。

3、结论

GR5钛合金板中氢元素含量超出了标准，使得材料表现出一定程度的氢脆，导致材料的塑性出现降低。此外，钛合金板表面氧元素存在富集偏集现象。