熱加工及熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響

羅錦華，朱燕麗,2，孫小平，陳海生,2，和永崗

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西　西安　710018)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西　西安　710072)

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熱加工及熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響

羅錦華1，朱燕麗1,2，孫小平1，陳海生1,2，和永崗1

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西西安710018)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

對不同的熱加工工藝及熱處理工藝獲得的Ti80合金棒材進行了室溫力學(xué)性能和組織的分析研究。結(jié)果表明：Ti80合金棒材精鍛時，隨著變形量增加室溫拉伸性強度逐漸增加，塑性變化不明顯，而沖擊韌性隨著變形量的增加而顯著下降；軋制棒材的沖擊韌性比相近變形量的精鍛棒材略高；室溫拉伸性能對熱處理溫度不敏感，900 ℃及其以上熱處理的幾乎保持不變；熱處理溫度對沖擊韌性影響較大，(940～980) ℃×75 min/AC的綜合力學(xué)性能較好。

Ti80鈦合金；棒材；熱加工工藝；熱處理工藝；力學(xué)性能

0　引　言

Ti80合金名義成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，具有較低的密度、合適的強度、良好的塑性、優(yōu)良的耐腐蝕性和無磁性等特點，被用于深潛器和船艦[1-4]，服役中材料在海水中長期浸泡，且會受海浪及海上漂浮物的沖刷和撞擊，承受大的沖擊載荷作用[5-6]。因此，實現(xiàn)強度、塑性和沖擊韌性的良好匹配，是保障該材料安全使用的關(guān)鍵[7-8]。所以，研究分析熱加工工藝和熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響具有重要意義。本研究設(shè)計了相關(guān)實驗，探討不同的熱加工工藝和熱處理工藝下Ti80合金棒材組織形態(tài)和室溫力學(xué)性能變化，明確熱加工和熱處理工藝對Ti80合金棒材組織和性能的影響規(guī)律，以期為海洋工程用Ti80合金棒材的工程化生產(chǎn)和應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

1　實　驗

1.1實驗材料

實驗材料為西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司生產(chǎn)的φ95 mm的Ti80合金棒坯，化學(xué)成分如表1所示，采用金相法[9-11]測得其相變點為1 015～1 020 ℃。

表1　Ti80合金棒坯的化學(xué)成分(w/%)

1.2實驗

將φ95 mm的Ti80合金棒坯依據(jù)設(shè)計的加工方案(見表2)進行熱加工。獲得的棒材進行熱處理(熱處理制度為900 ℃×90 min/AC)，熱處理后觀察顯微組織，測試室溫拉伸性能和沖擊韌性。

表2　Ti80合金棒坯的熱加工方案

在φ45 mm的精鍛棒上取樣，依據(jù)表3給出的熱處理制度進行不同制度的熱處理。熱處理后觀察顯微組織，測試拉伸性能和沖擊韌性。

表3　φ45 mm Ti80合金精鍛棒熱處理方案

在Instron-4507型拉伸實驗機上測試拉伸性能。在JB-W300型擺錘式試驗機上測試沖擊韌性(沖擊試樣按照GB/T 229切取55 mm×10 mm×10 mm樣坯，加工成45°×2 mm的V形缺口試樣)。用LEICA MEF4A倒立式金相顯微鏡觀察顯微組織，用JSM 6460電子顯微鏡觀察沖擊試樣斷口形貌。拉伸性能和沖擊韌性測試每種方案均取3個樣，數(shù)據(jù)為3個樣品的平均值。

2　結(jié)果與討論

2.1熱加工工藝對棒材性能的影響

圖1為不同熱加工工藝得到的Ti80合金棒材室溫力學(xué)性能。從圖中可以看出，變形量分別為66%、77%、90%、93%和97%的棒材經(jīng)900 ℃熱處理后，精鍛棒的室溫抗拉強度隨著變形量的增加而提高，變形量為93%時出現(xiàn)峰值，而軋制棒的變形量為97%，但強度卻有所下降。屈服強度具有相同的規(guī)律。延伸率和斷面收縮率的變化不明顯，尤其是延伸率幾乎是一條水平線。沖擊韌性的變化規(guī)律與拉伸強度正好相反，精鍛棒隨著變形量的增加，沖擊韌性急劇下降。當變形量為93%時降至最低，而變形量為97%的軋制棒，沖擊韌性略高于變形量為93%的精鍛棒。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與不同熱加工工藝制備的Ti80合金棒的組織差異有直接的關(guān)系。研究表明，鈦合金的微觀組織決定力學(xué)性能[12-13]。

圖1　不同方案加工的Ti80合金棒材室溫力學(xué)性能Fig.1　Mechanical properties at room temperature of Ti80 bars with different hot working processes

圖2為原始態(tài)及不同熱加工工藝得到的Ti80合金棒材的顯微組織。從圖中可以看出，Ti80合金棒坯組織由橢球形和短棒狀α相與晶間β相組成。經(jīng)5種加工工藝加工后棒材顯微組織均為等軸狀[14]，隨著變形量的增加，初生α相逐漸細化。細晶強化作用使得棒材抗拉強度和屈服強度逐漸增加(見圖1)。方案4得到的精鍛棒材組織與方案1、方案2和方案3相比，初生和次生α相含量和形貌均有明顯區(qū)別，其初生和次生α相明顯要細小一些。這種組織不利于沖擊功的吸收，會導(dǎo)致沖擊韌性值下降，另外方案1到方案4隨著變形量的增加，精鍛加工時間延長，終鍛溫度降低，棒材次生相減少，也會導(dǎo)致棒材沖擊韌性值降低(見圖1)。方案5加工的棒材變形過程為加工量達到97%的軋制變形，變形過程中溫升較大，棒材始終保持較高的變形溫度，組織中初生α相含量較少而亞穩(wěn)β相比例增加，故沖擊韌性值高于相近變形量的精鍛棒材。

圖2　不同方案加工的Ti80合金棒材的顯微組織Fig.2　Microstructures of Ti80 bars with different hot working processes

綜合而言，組織中初生α相含量少的棒材沖擊韌性值較高，而拉伸性能差異沒有那么明顯(見圖1方案1、方案2和圖2b、2c)，這與沖擊微裂紋的形核位置主要集中于初生α相界和α與β相界有關(guān)，而且還與次生相的大小、形態(tài)有關(guān)，故次生相含量越高、越粗大，相應(yīng)的沖擊韌性值越高[15]。

2.2熱處理工藝對棒材性能的影響

圖3為經(jīng)不同制度熱處理后Ti80合金棒材的室溫力學(xué)性能。從圖中可以看出，隨著熱處理溫度升高，Ti80合金棒材抗拉強度和屈服強度略有降低。在900 ℃及以上熱處理的基本保持一致水平，同時延伸率和斷面收縮率也沒有明顯變化。隨著熱處理溫度的升高，棒材沖擊韌性值明顯提高，在940、960、980 ℃熱處理的沖擊韌性值較高。

圖3　不同制度熱處理的Ti80合金棒材室溫力學(xué)性能Fig.3　Mechanical properties at room temperature of Ti80 bars after different heat treatments

圖4為不同制度熱處理的Ti80合金棒材的顯微組織。由圖可知，在940 ℃及以上熱處理的棒材均為等軸組織，且隨著熱處理溫度的提高，初生α相明顯等軸化，含量逐漸降低。其中940 ℃的等軸化效果較好，故沖擊韌性值明顯提高。退火溫度升高至980 ℃時，形成了雙態(tài)組織，初生α相含量明顯降低。沖擊韌性值維持在較高水平(見圖3)。

為了研究冷卻方式對Ti80合金棒材性能的影響，設(shè)計了方案Ⅲ和方案Ⅵ熱處理制度，并測試了力學(xué)性能，見表4。表4數(shù)據(jù)顯示，采用爐冷+空冷結(jié)合的方式獲得的棒材拉伸性能與單純空冷的基本相當，而沖擊韌性值卻大幅下降。對比圖4f與圖4c可知，爐冷時，棒材次生α相明顯長大并粗化(甚至球化)，組織中的亞穩(wěn)β相比例急劇降低，從而導(dǎo)致沖擊韌性大幅下降。

圖4　不同制度熱處理的Ti80合金棒材的顯微組織Fig.4　Microstructures of Ti80 bars after different heat treatments

表4　熱處理溫度相同而冷卻方式不同的Ti80合金棒材室溫力學(xué)性能對比

圖5為經(jīng)方案Ⅰ處理的Ti80合金棒材沖擊試樣斷口宏觀形貌。從圖中可以看出，試樣斷口表面相對平整，疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)明顯。試樣缺口處為裂紋源，具有明顯的韌性斷口特征，是典型的剪切斷裂。

圖5　方案Ⅰ處理的Ti80棒材沖擊試樣斷口宏觀形貌Fig.5　Fracture morphology of Ti80 bars after heat treatment Ⅰ

不同制度熱處理的Ti80合金棒材沖擊試樣斷口的SEM照片如圖6所示。從圖中可以看出，斷口均為韌性斷裂。沖擊韌性檢測時，在撕裂應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部第二相與基體之間界面、晶界、亞晶界等塑性流變不連續(xù)位置產(chǎn)生微孔，微孔隨應(yīng)力增大而增大，最后相互連接促成材料完全斷裂[16]。圖4c～e組織中具有合適的相比，相界面上形成的塑性流變不連續(xù)位置少，形成圖6c～e較深的韌窩，相比圖7a、7b、7f淺韌窩而言，可以承載更大的沖擊力，沖擊韌性更好。

3　結(jié)　論

(1)Ti80合金棒材采用精鍛加工時，隨著變形量從66%增加到93%，室溫拉伸強度逐漸增加，塑性變化不明顯，而沖擊韌性隨著變形量的增加而顯著下降；軋制加工的棒材，因變形溫降較小，沖擊韌性比相近變形量的精鍛棒材略高。

圖6　不同制度熱處理后Ti80合金棒材沖擊韌性試樣斷口SEM照片F(xiàn)ig.6　Fracture morphologies of Ti80 bars after different heat treatments

(2)Ti80合金棒材室溫拉伸性能對熱處理溫度不敏感，在900～980 ℃之間熱處理，其強度和塑性曲線幾乎保持水平。

(3)熱處理溫度對Ti80合金棒材沖擊韌性影響較大，(940～980) ℃×75 min/AC熱處理的，其綜合力學(xué)性能較好。

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Effects of Hot Working Process and Heat Treatment on Microstructures and Mechanical Properties of Ti80 Alloy Bars

Luo Jinhua1, Zhu Yanli1,2, Sun Xiaoping1, Chen Haisheng1,2, He Yonggang1

(1.Western Superconducting Technologies Co., Ltd.,Xi’an 710018, China)(2.Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072, China)

In this paper, the effects of hot working process and heat treatment on microstructures and mechanical properties of Ti80 bars were investigated. The results show that, tensile properties of the bars increase with the increasing of deformation amount, but the ductility have minus difference. The impact toughness of the bars decrease significantly with the increasing of deformation amount. The impact toughness of rolled bars is slightly higher than forged bars. What’s more, annealing temperature has no obvious effect on the tensile properties at room temperature, but has great influence on impact toughness. When the bars are heat treated with the process of (940～980) ℃×75 min/AC, the ideal combination of the strength, plasticity and impact toughness could got.

Ti80 titanium alloy; hot processing; heat treatment; mechanical properties

2016-02-20

國家國際科技合作專項(2013DFB50180)；陜西省

羅錦華(1964—)，男，高級工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)02-0020-05

科技創(chuàng)新工程項目(2015KTTSG01-08)