退火温度对Ti80合金棒材组织与性能的影响

引言

Ti80合金是我国自行研制的875MPa级耐蚀可焊结构钛合金，相当于国外的Ti-6Al-12Nb-lTa-0.8Mo合金[1]，其名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-lMo,是一种铝含量较高（5.5%〜6.5%，质量分数）并含有β稳定元素Nb、Mo和中性元素Zr的近α型钛合金[2]。该合金具有高的比强度、良好的塑性、优良的耐蚀性及良好的焊接性等优点，被广泛应用于潜艇、舰船[3]。而当潜艇、舰船等在海水中服役时，会受到海浪及海上漂浮物的冲刷和撞击，需要承受大的冲击载荷作用[4]。因此，为了保证Ti80合金材料的使用安全性，其强度、塑性和冲击軔性需达到良好匹配。目前国内学者已对Ti80合金进行了一些相关研究，但主要集中在对Ti80合金棒材锻造工艺、管材以及板材热处理工艺上[1-2]，而关于退火温度对Ti80合金棒材组织和性能影响的研究相对较少。

本研究则通过对比分析不同退火温度对Ti80合金棒材组织以及性能的影响，以期探究其中的影响规律，找到使Ti80合金棒材获得最佳强度、塑性和冲击軔性匹配的退火温度，为Ti80合金棒材的批量化生产以及在海洋工程中的推广应用提供一定的技术参考。

1、实验

实验原料为经真空自耗电弧炉3次熔炼而成的φ600mmTi80合金铸锭，化学成分见表1。升温金相法测得α+β/β相变温度为1005℃。首先将Ti80合金铸锭在1150℃保温4.5〜5.5h后，采用16MN快速液压锻造机进行变形量为88%左右的四镦四拔开坯锻造，然后用箱式电阻炉加热至相变点以下30〜50℃进行多火次镦拔锻造，最终锻至φ165mm棒坯。在棒坯上切取φ165mm×20mm的圆片5件，其中1件用于热加工态取样，其余4件分别在箱式电阻炉（控温精度为±1中进行热处理试验。热处理工艺分别为650、700、750、800T保温1h后空冷。

在经4种不同退火工艺处理后的圆片和热加工态圆片上分别取弦向力学性能试样和冲击试样，利用钼丝线切割在圆片1/2半径处切取φ15mm的横向金相试样。然后按照GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用INSTR0N4505万能试验机测试拉伸性能；按照GB/T5168—2008《α-β钛合金高低倍组织检验方法》，采用LeicaMM-6金相显微镜进行显微组织观察；按照GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，采用JB-S300A摆锤式冲击试验机测定试样冲击性能。

2、结果与分析

2.1退火温度对显微组织的影响

图1为Ti80合金棒材热加工态及不同温度退火后的金相照片。由图la可知，热加工态Ti80合金棒材组织为两相区锻造组织，为均勻的等轴组织。而经650T热处理后，其显微组织（图1b)与热加工态(图1a)相比较基本没有变化。随着退火温度的逐渐升高，初生《相数量有所减少，次生《条明显出现析出长大现象（图1d、1e)，特别是从图1d中可以明显看出次生α条大量析出。图1e中，次生α相数量较图Id有所增加，球状α相更加粗大。从图lb〜le可以发现，随着退火温度的升高，组织中次生α相增加。

2.2退火温度对室温拉伸性能的影响

表2为Ti80合金棒材经不同温度热处理后的室温拉伸性能。从表2可以看出，热处理温度对Ti80合金棒材强度的影响并不明显，热加工态抗拉强度平均值为910MPa,8001热处理后的抗拉强度平均值为893MPa,抗拉强度平均值相差仅为17MPa,屈服强度平均值相差也仅为9MPa。此外，经650〜8001热处理后，Ti80合金棒材的强度数据波动较小，性能较为稳定。

从表2还可以看出，热处理温度对Ti80合金棒材延伸率和断面收缩率的影响较大。当热处理温度为6501时，棒材的延伸率与热加工态相比较相差较小，且均不满足协议指标要求，这是由于性能与组织有密切关系，组织决定性能，而两者的组织较为接近（图1a、1b)。当退火温度为7001时，延伸率测试值分别为13.5%、14.0%，满足协议指标要求；当退火温度为750〜800T时，热处理后棒材延伸率基本稳定在15%左右，断面收缩率稳定在54%左右，比650T热处理棒材的延伸率高出24.5%、断面收缩率高出10.5%。

对图1b〜1e中的显微组织变化分析可知，随着热处理温度的不断升高，Ti80合金棒材显微组织中α相形貌不断变化，初生α相和次生α相均逐渐球化，组织更加均勻，残余应力得到进一步释放，棒材强度有所下降，塑性提高。这与表2中700〜8001之间Ti80合金棒材室温拉伸性能变化趋势是一致的。

2.3退火温度对冲击韧性的影响

表3为Ti80合金棒材经不同温度热处理后冲击軔性的测试值及平均值。从表中可以看出，经过800T热处理后Ti80合金棒材的冲击軔性较650T热处理后高出18%左右，较7001热处理后高出15.7%左右，较750T热处理后高出9%左右。此外，还可以发现，随着热处理温度的升高，冲击軔性平均值呈现明显上升趋势。

结合图1d、le，随着退火温度的升高，初生α相数量有所减少，出现球化长大趋势，次生《相呈条状析出。当显微组织中α相含量较少时，棒材的冲击軔性较高，这与冲击微裂纹的形核位置主要集中于初生α相界和α与P相界相关[3]。此外，较粗大的等轴α组织对裂纹扩展有明显的阻碍作用[5]，次生《相含量越高、越粗大，相应的冲击軔性越高[6]。

3、结论

(1)随着退火温度的升高，Ti80合金棒材组织中次生α相数量增加，且退火温度对其强度的影响要小于对延伸率、断面收缩率及冲击軔性的影响。

(2)当退火温度控制在700〜800T之间时，Ti80合金棒材的强度、塑性及冲击性能可以达到较好的匹配，其抗拉强度约为900MPa,屈服强度约为835MPa,延伸率约为14%，冲击軔性约为64J/cm2，棒材的各项性能指标均满足协议指标要求。

参考文献

[1]蒋鹏，孟宪亮，刘茵琪，等.Ti80合金锻造工艺对显微组织和性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2005,34(增刊3):286-288.

[2]王巧莉，代春，成小丽.退火温度对Ti80合金挤压管材组织与性能的影响[J].中国有色金属学报，2010,20(专辑1):631-633.

[3]罗锦华，朱燕丽，孙小平，等.热加工及热处理工艺对Ti80合金棒材组织和性能的影响[J].钛工业进展，2016,33(2)：20-24.

[4]朱铭泳，张日恒.船用钛合金微弧氧化一电泳技术研究[J].钛工业进展，2015,32(3):30-34.

[5]沈立华，朱宝辉，马超，等.热处理工艺对TA5钛合金棒材显微组织及性能的影响[J].钛工业进展，2014,31(2)：20-23.

[6]于卫敏，吴跃江，潘跃进.锻造温度对BT25钛合金组织和性能的影响[J].热处理，2009,24(4):36-40.