TA18鈦合金熱軋卷熱處理工藝研究

劉正喬，江 彪

(湖南湘投金天鈦金屬股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

鈦及鈦合金因其優(yōu)異的耐蝕性能和高的比強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、電力、醫(yī)療、體育休閑等領(lǐng)域[1-2]。應(yīng)用牌號(hào)上，除純鈦外，各種低、中、高強(qiáng)度鈦合金也有一定比例的應(yīng)用，TA18鈦合金就是其中一種[3-4]。TA18鈦合金在ASTM B265標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)牌號(hào)為Gr.9，是一種具有中等強(qiáng)度的鈦合金，在國(guó)內(nèi)也常被稱為半TC4，主要以管材形式用作航空壓力管道，也有部分以板材形式用于防務(wù)等領(lǐng)域[5-6]，但目前鮮有該合金帶材制備工藝及熱處理工藝的相關(guān)報(bào)道。

本研究以TA18鈦合金熱軋帶卷為原料，借鑒板材和管材生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[7-9]，研究熱處理制度對(duì)其組織和性能的影響，以確定合適的熱處理工藝，旨在為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選擇經(jīng)三次自耗電弧熔煉獲得的TA18鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)鍛造、熱連軋后獲得熱軋帶卷，厚度為7.0 mm，其顯微組織及力學(xué)性能如圖1、表2所示。

表1TA18鈦合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TA18 titanium alloy ingot

圖 1 熱軋態(tài)TA18鈦合金帶卷的顯微組織Fig.1 Microstructures of TA18 titanium alloy coil by hot rolling：(a)longitudinal；(b)transverse

Table 2 Mechanical properties of TA18 titanium alloy coil by hot rolling

從圖1可以看出，TA18鈦合金帶卷經(jīng)軋制后獲得了典型的軋態(tài)組織，視場(chǎng)內(nèi)組織呈條帶狀分布，取向明顯。從表2可看出，熱軋態(tài)TA18鈦合金帶卷強(qiáng)度較高，縱向、橫向性能存在差異且縱向強(qiáng)度較低、塑性較高，其中橫向塑性指標(biāo)未能達(dá)到ASTM B265標(biāo)準(zhǔn)要求(縱向≥12%，橫向≥8%)。

1.2 熱處理

采用FR-1236馬弗爐進(jìn)行熱處理，該爐控溫精度為±5 ℃。將熱軋TA18鈦合金帶卷開平后取樣，分別在600、650、700、750、800 ℃下進(jìn)行熱處理，保溫時(shí)間為30 min，空冷。采用金相顯微鏡觀察熱處理后試樣的顯微組織，并檢測(cè)力學(xué)性能。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果選出合適的熱處理溫度，并將樣品在該溫度下分別保溫30、60、120 min，空冷。隨后觀察熱處理后試樣的顯微組織，并檢測(cè)其力學(xué)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度對(duì)組織和性能的影響

TA18鈦合金帶卷樣品在600、650、700、750、800 ℃下保溫30 min空冷后的顯微組織和力學(xué)性能如圖2和表3所示。從圖2可以看出，當(dāng)退火溫度為600 ℃時(shí)，試樣的組織與熱軋軋態(tài)基本無(wú)區(qū)別。隨著溫度的升高，出現(xiàn)了回復(fù)和再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，其中650 ℃時(shí)，縱向組織出現(xiàn)回復(fù)特征，橫向組織出現(xiàn)細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至750 ℃時(shí)，縱向組織實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶，橫向組織中晶粒逐步長(zhǎng)大。當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，橫向與縱向的晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，且開始呈現(xiàn)不均勻長(zhǎng)大現(xiàn)象。與此同時(shí)，隨著溫度的升高，樣品的塑性逐步升高，強(qiáng)度逐步降低。

圖2 不同溫度熱處理后TA18鈦合金帶卷的顯微組織Fig.2 Microstructures of TA18 titanium alloy coil after heat treated at different temperatures：(a)600 ℃，longitudinal；(b)600 ℃，transverse；(c)650 ℃，longitudinal；(d)650 ℃，transverse；(e)700 ℃，longitudinal； (f)700 ℃，transverse；(g)750 ℃， longitudinal；(h)750 ℃，transverse；(i)800 ℃， longitudinal；(j)800 ℃，transverse

Table 3 Mechanical properties of TA18 titanium alloy coil after heat treated at different temperatures

2.2 保溫時(shí)間對(duì)組織和性能的影響

根據(jù)熱處理試驗(yàn)結(jié)果，選擇合適的退火溫度為750 ℃。將TA18鈦合金帶卷樣品在750 ℃下保溫60、120 min后，其顯微組織和力學(xué)性能見圖3和表4。從圖3可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間為60 min時(shí)，晶粒細(xì)小均勻，此時(shí)材料的塑性達(dá)到較高水平。當(dāng)保溫時(shí)間增加到120 min時(shí)，晶粒粗大且不均勻，延伸率降低(見表4)。

圖 3 TA18鈦合金帶卷在750 ℃下保溫不同時(shí)間后 的顯微組織Fig.3 Microstructures of TA18 titanium alloy coil heat treated at 750 ℃ with different holding time：(a)60 min， longitudinal；(b)60 min，transverse；(c)120 min， longitudinal；(d)120 min，transverse

Table 4 Mechanical properties of TA18 titanium alloy coil heat treated at 750 ℃ with different holding time

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)退火時(shí)間為30 min時(shí)，隨著退火溫度的升高，TA18鈦合金帶卷在650 ℃出現(xiàn)橫向組織再結(jié)晶，700 ℃時(shí)出現(xiàn)縱向組織再結(jié)晶。隨著溫度的升高，晶粒尺寸逐步增加。

(2)TA18鈦合金熱軋帶卷在750 ℃×60 min/AC條件下熱處理，可獲得較佳的力學(xué)性能。