TA10鈦合金板材的熱處理工藝研究

葛 偉，鄧寧嘉，丁春聰，陳 陽，徐國俊

(南京寶泰特種材料股份有限公司，江蘇 南京 211100)

TA10鈦合金板材的熱處理工藝研究

葛 偉，鄧寧嘉，丁春聰，陳 陽，徐國俊

(南京寶泰特種材料股份有限公司，江蘇 南京 211100)

為了使熱軋TA10鈦合金板材的塑性指標(biāo)能夠滿足后續(xù)爆炸復(fù)合工藝的要求，對3 mm厚熱軋TA10鈦合金板材進(jìn)行了不同溫度和不同保溫時(shí)間的退火熱處理，研究退火溫度和保溫時(shí)間對其組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，熱軋態(tài)TA10鈦合金板材經(jīng)(700～750)℃ ×(30～60)min/AC熱處理后可以得到較為均勻的等軸α相組織和較好的綜合力學(xué)性能，滿足爆炸復(fù)合用鈦板的使用要求。

TA10鈦合金;熱處理;顯微組織;力學(xué)性能

0 引言

鈦?zhàn)鳛橐环N耐蝕結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、制鹽、印染、制藥、食品、海水淡化等領(lǐng)域［1］，但是在高溫、高濃度的氯化物中，純鈦會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，影響使用壽命。為了解決純鈦在高溫、高濃度氯化物中的縫隙腐蝕問題，人們研制了一種新型鈦合金——Ti-0.2Pd合金。該合金在還原性介質(zhì)和熱濃氯化物中具有抗局部腐蝕的能力［2］，但由于添加有貴金屬鈀，成本較高，使其應(yīng)用受到了限制。20世紀(jì)70年代中期，美國鈦金屬公司研制了Ti-0.3Mo-0.8Ni合金。該合金為近α型鈦合金，在高溫、高濃度氯化物中具有良好的抗縫隙腐蝕能力，可以部分取代成本較高的Ti-0.2Pd合金［3－4］，已被美國、英國、俄羅斯、日本、法國、德國等國家列入了國家標(biāo)準(zhǔn)，并投入工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代，我國開始對Ti-0.3Mo-0.8Ni合金進(jìn)行材料加工和應(yīng)用方面的研究，也將其列入我國國家標(biāo)準(zhǔn)(對應(yīng)我國牌號TA10)，并在純鈦可能出現(xiàn)縫隙腐蝕的環(huán)境中得到了應(yīng)用［5－6］。如1985年3月首次應(yīng)用于湘澧鹽礦真空制鹽的一效加熱室［7］，1986年4月應(yīng)用于塘沽鹽場氯化鎂蒸發(fā)罐的加熱室［8－9］。

南京寶泰特種材料公司承接了國外某鉀肥工程生產(chǎn)裝置用鈦鋼復(fù)合材料的訂單。該復(fù)合材料覆層為3 mm厚的TA10鈦合金板材。根據(jù)GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)板材需滿足A類要求，斷后伸長率達(dá)到18%即可，而后續(xù)用于爆炸焊接的板材需滿足B類要求，斷后伸長率應(yīng)達(dá)到25%以上。為保證爆炸復(fù)合工藝對鈦合金板材塑性的要求，可采用硬度低的0級海綿鈦?zhàn)鳛樵仙a(chǎn)板材，以達(dá)到后續(xù)工序?qū)λ苄灾笜?biāo)的要求，但這樣勢必會(huì)增加原材料的成本。本實(shí)驗(yàn)采用2級海綿鈦?zhàn)鳛樵现苽銽A10鈦合金板材，通過研究不同熱處理制度對TA10鈦合金板材組織和性能的影響，探尋合適的熱處理制度，以期獲得塑性指標(biāo)能夠滿足后續(xù)爆炸復(fù)合工藝要求的TA10鈦合金板材。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用2級海綿鈦、鎳－鉬中間合金，經(jīng)過兩次真空自耗熔煉制備直徑為560 mm的TA10鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分見表1。

表1 TA10鈦合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA10 alloy ingot

鑄錠經(jīng)鍛造開坯、銑面、修磨等工序制成熱軋板坯，再在1680軋機(jī)上經(jīng)兩火軋制成3.0 mm厚的板材。圖1為軋制態(tài)TA10鈦合金板材的金相照片，其組織為極細(xì)的條帶狀軋制態(tài)變形組織。表2為軋制態(tài)TA10鈦合金板材的室溫力學(xué)性能。

表2 軋制態(tài)TA10鈦合金板材室溫力學(xué)性能Table 2 Room-temperature mechanical properties of the rolled TA10 alloy sheets

1.2 熱處理

熱處理試驗(yàn)采用SX2-2.5-10型電阻爐，溫度誤差±5℃。TA10鈦合金為近α型合金，冷卻速度對其組織和性能影響不大，退火溫度一般應(yīng)選擇在α+β/β相變點(diǎn)以下120～200℃［10］。因此，在3.0 mm厚熱軋TA10鈦合金板材上切取熱處理試樣，進(jìn)行不同溫度退火處理，退火溫度分別為550、600、650、700、750、800℃，保溫時(shí)間均為30 min，冷卻方式為空冷。在退火后的板材上取樣，進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測試，探尋合適的退火溫度。在優(yōu)選的退火溫度下，進(jìn)行不同保溫時(shí)間的退火處理，保溫時(shí)間分別為15、30、60、120、180 min。取樣觀察不同時(shí)間退火后板材的顯微組織并測試力學(xué)性能，最終獲得合適的熱處理制度。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度對板材組織和力學(xué)性能的影響

圖1 軋制態(tài)TA10鈦合金板材的金相照片(400×)Fig.1 Microstructure of the rolled TA10 alloy sheet

表3 不同溫度退火后TA10鈦合金板材的室溫力學(xué)性能Table 3 Room-temperature mechanical properties of TA10 sheets annealed at different tempertures

圖2 不同溫度退火后TA10鈦合金的板材顯微組(400×)Fig.2 Microstructures of the TA10 alloy sheets annealed at different temperatures

TA10鈦合金熱軋板材經(jīng)不同溫度保溫30 min并空冷的退火處理后的室溫力學(xué)性能及顯微組織見表3和圖2。由表3可見，TA10鈦合金板材經(jīng)550℃ ×30 min/AC退火處理后，由加工硬化引起的強(qiáng)度高和塑性較差的現(xiàn)象并未得到消除;在550～650℃之間，隨著熱處理溫度的升高，板材的加工硬化現(xiàn)象逐漸得到消除，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，塑性略有提高;在650～700℃之間，熱軋板材的強(qiáng)度幾乎不變，而塑性顯著提高;在750～800℃之間，熱軋板材的抗拉強(qiáng)度仍保持不變，而斷后伸長率卻在減小，板材塑性變差。由圖2可以看出，TA10鈦合金板材在700℃以下主要發(fā)生回復(fù)過程，組織為條帶狀的軋制變形組織，當(dāng)熱處理溫度的升高至700℃時(shí)，發(fā)生再結(jié)晶形核和晶粒長大。熱處理溫度為750℃時(shí)，再結(jié)晶基本完成，絕大部分組織為較細(xì)小的等軸α相，但仍有少量的條帶狀變形組織。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到800℃時(shí)，部分晶粒發(fā)生異常長大，組織較為粗大。因此，為保證TA10鈦合金熱軋板材能夠滿足后序的爆炸復(fù)合工序?qū)Π宀乃苄缘囊螅线m的熱處理溫度應(yīng)在700～750℃之間選擇。

2.2 保溫時(shí)間對板材組織和力學(xué)性能的影響

根據(jù)熱處理溫度實(shí)驗(yàn)選定熱處理溫度為750℃，在此溫度下進(jìn)行的不同保溫時(shí)間熱處理后板材的力學(xué)性能見表4，顯微組織見圖3。

由表4可以看出，當(dāng)加熱溫度為750℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，TA10鈦合金板材的抗拉強(qiáng)度變化不大，在5～10 MPa以內(nèi)，保溫時(shí)間在15～60 min區(qū)間內(nèi)，板材斷后伸長率隨保溫時(shí)間延長顯著變大，塑性變好;而當(dāng)保溫時(shí)間超過60 min后，板材斷后伸長率有較明顯的降低，塑性逐漸變差。由圖3可以看出，TA10鈦合金板材在750℃下分別經(jīng)過15、30、60、120、180 min退火處理后，組織由最初的條帶狀軋制變形組織逐漸發(fā)生再結(jié)晶形核和晶粒長大，當(dāng)保溫時(shí)間為30 min時(shí)，再結(jié)晶基本完成(見圖3b)，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)，再結(jié)晶全部完成，組織為細(xì)小且均勻的等軸α相(見圖3c)。隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長，變形織構(gòu)等阻礙晶粒長大因素的消除，少數(shù)特殊晶界迅速遷移［11］，部分再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)異常長大，組織逐漸粗大。

表4 不同時(shí)間退火后TA10鈦合金板材的室溫力學(xué)性能Table 4 Room-temperature mechanical properties of TA10 alloy sheets annealed with different time

圖3 TA10鈦合金板材在750℃下經(jīng)過不同時(shí)間退火后的顯微組織(400×)Fig.3 Microstructures of the TA10 alloy sheets annealed with different time at 750℃

綜上所述，TA10鈦合金軋制板材退火處理需要達(dá)到一定溫度方能有效地進(jìn)行回復(fù)，獲得較好的組織和性能。如在750℃退火處理時(shí)可獲得等軸狀α組織及較好塑性，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)強(qiáng)度上升，延伸率下降。TA10鈦合金板材退火處理時(shí)還應(yīng)控制好保溫時(shí)間，否則由于再結(jié)晶晶粒的長大，會(huì)影響材料的塑性。

3 結(jié)論

(1)熱處理溫度達(dá)到600℃時(shí)，TA10鈦合金板材組織可以得到較好回復(fù)，但塑性較差。若需獲得較好的塑性，滿足爆炸復(fù)合用鈦板的使用要求，則需進(jìn)行較高溫度(700～750℃)的熱處理。

(2)熱處理溫度一定時(shí)，保溫時(shí)間對TA10鈦合金板材的強(qiáng)度影響不大，但對塑性影響顯著。

(3)對于3 mm厚TA10鈦合金熱軋板材，經(jīng)過(700～750)℃ ×(30～60)min/AC退火處理后，可以獲得較為均勻的等軸α相和較好的綜合力學(xué)性能，滿足爆炸復(fù)合用鈦板的使用要求。

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Study on Heat Treatment System of TA10 Alloy Sheet

Ge Wei，Deng Ningjia，Ding Chuncong，Chen Yang，Xu Guojun
(Nanjing Baotai Special Material Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China)

In order to meet the ductility requirements of hot rolled TA10 titanium sheet for subsequent explosive cladding process，the TA10 alloy sheets were annealed with different temperature and different holding time.And the influences of annealing temperature and holding time on the microstructure and mechanical properties were studied.The results show that，the hot rolled TA10 alloy sheets can obtain more uniform equiaxed αphase and good comprehensive mechanical properties after heat treatment of(700～750)℃ ×(30～60)min/AC，can meet the requirements of explosive cladding plate.

TA10 alloy;heat treatment;microstructure;mechanical properties

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2015.04.008

2015－04－12

葛偉(1968—)，男，工程師。