軋后熱處理工藝對(duì)Gr.5鈦合金棒材斷口形貌及組織的影響研究

楊碧蕓，雷 楊，趙文婷

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

Gr.5鈦合金（Ti-6Al-4V）是一種中等強(qiáng)度的α-β兩相型鈦合金，具有強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高和良好的高溫蠕變性能等而廣泛的應(yīng)用于我國高端產(chǎn)品中，如航空航天、海洋等領(lǐng)域[1，2]。Gr.5鈦合金具有較強(qiáng)的活性，焊接過程中需要真空進(jìn)行保護(hù)。由于鈦合金材料具有穩(wěn)定的性能，多數(shù)可熱處理強(qiáng)化的金屬材料之一。因此，可以通過固溶溫度時(shí)效處理的方式分析鈦合金材料的性能。在不同固溶溫度下進(jìn)行樣材的拉伸試驗(yàn)，可以有效的分析鈦合金斷口形貌特征，并分析鈦合金材料的塑性特征?；诖?，本文以Gr.5鈦合金棒材為研究對(duì)象，分析其在扎后熱處理過程中對(duì)鈦合金棒材斷口形貌及組織的影響，為進(jìn)一步改進(jìn)鈦合金鍛造工藝奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原材料及過程

本文試驗(yàn)所用材料為Gr.5鈦合金鑄錠，高品級(jí)海綿鈦等，通過多次熔煉后制作成φ380mm的Gr.5鈦合金。在1000℃～1100℃下將Gr.5鈦合金鑄錠制備成φ170mm的Gr.5鈦合金棒材，在900℃～1000℃溫度下將Gr.5鈦合金棒材鍛造成φ48mm棒材，在850℃～950℃溫度下將Gr.5鈦合金棒材軋制成φ10mm棒材若干個(gè)。試驗(yàn)過程中電爐為箱式電阻爐，將其分別置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下，保溫0.5h后空冷處理。將保溫空冷處理后的樣材使用掃描電鏡觀察Gr.5鈦合金棒材的斷口形貌，分析鈦合金材料的塑性特征，為進(jìn)一步研究該類鈦合金材料的顯微組織以及力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 斷口形貌特征

將φ10mmGr.5鈦合金棒材分別置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下，保溫0.5h后空冷處理，通過掃描電鏡獲得不同固溶溫度下鈦合金棒材的斷口形貌特征。根據(jù)試驗(yàn)可知，Gr.5鈦合金棒材的斷口主要分為兩個(gè)部分：即纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，其中纖維區(qū)主要分布在Gr.5鈦合金棒材的中心部位，多呈橢圓形或者近圓形，斷口表面呈粗糙不平狀；剪切唇區(qū)主要分布在Gr.5鈦合金棒材的周圍邊部區(qū)域，斷口表面呈起伏狀，但在宏觀上呈光滑狀。隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材中纖維區(qū)面積相對(duì)減少，當(dāng)固溶溫度升高至840℃時(shí)，Gr.5鈦合金棒材中的纖維區(qū)逐漸消失，使得棒材的斷口更加平整，且斷口主要由光滑面和小韌窩構(gòu)成。對(duì)試驗(yàn)棒材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示拉伸斷裂屬于韌窩—微孔聚集型斷裂，屬于奠定的塑性斷裂。因此，Gr.5鈦合金棒材的塑性斷裂可進(jìn)一步劃分為纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇三部分。但是，在Gr.5鈦合金棒材宏觀照片上僅可見纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，并未見到放射區(qū)。根據(jù)前人研究成果認(rèn)為，鈦合金棒材找那個(gè)纖維區(qū)面積較大的合金材料，鈦合金的塑性性能更好[3]。由此可知，隨著固溶溫度從750℃逐漸升高至840℃，Gr.5鈦合金棒材的塑性性能逐漸降低。

將樣材2在固溶溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，對(duì)拉伸產(chǎn)生的斷口剪切形貌進(jìn)行放大觀察，結(jié)果顯示，在固溶溫度低于810℃以下時(shí)，斷口的剪切唇一般由小韌窩構(gòu)成，當(dāng)Gr.5鈦合金棒材在固溶溫度更低的條件下，斷口的形貌差別不大。當(dāng)樣材在固溶溫度810℃條件下時(shí)，斷口剪切唇由小韌窩構(gòu)成，且韌窩的尺寸明顯增大，但是韌窩的數(shù)量卻減少；當(dāng)固溶溫度升高至840℃時(shí)，斷口光滑面上不存在韌窩，但可見約40μm的β相晶粒出現(xiàn)。綜上所述，當(dāng)固溶溫度在810℃以下時(shí)，不同試驗(yàn)樣材之間的剪切唇具有較大差異，有的為光滑的，有的則由小韌窩構(gòu)成，充分說明Gr.5鈦合金棒材是塑性材料。但是當(dāng)溫度升高至840℃時(shí)，斷口光滑面未見韌窩，且斷口可見β相晶粒，說明Gr.5鈦合金棒材的塑性性能較差。

此外，將樣材3分別在固溶溫度840℃、810℃、780℃和750℃條件下處理的Gr.5鈦合金棒材保溫0.5h空冷后放大觀察，結(jié)果顯示，當(dāng)固溶溫度不大于810℃，斷口中心位置由不規(guī)則狀的撕裂韌窩組成，且韌窩形狀差異較大，方向差異較大，并且隨著固溶溫度逐漸升高，韌窩尺寸逐漸增大，但韌窩數(shù)量逐漸降低；當(dāng)固溶溫度持續(xù)升高至840℃，韌窩尺寸明顯增大，深度更淺。綜上所述，隨著固溶溫度的升高，樣材3中單位纖維區(qū)范圍內(nèi)的韌窩數(shù)量減少，尺寸卻逐漸增大。根據(jù)前人對(duì)斷口韌窩的研究表明，斷口處韌窩小且淺，說明鈦合金塑性性能較差；若斷口處韌窩大且深，說明鈦合金塑性性能較好。因此，通過Gr.5鈦合金棒材實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，斷口處纖維區(qū)中韌窩小時(shí)，韌窩明顯深，當(dāng)韌窩大時(shí)，韌窩明顯淺。這一變化與前人的認(rèn)知相反。因此，僅依據(jù)纖維區(qū)形貌特征是無法判斷材料的塑性特征的。

2.2 斷口形貌特征與材料塑性的關(guān)系

根據(jù)上文對(duì)不同試驗(yàn)樣材進(jìn)行的固溶溫度拉伸試驗(yàn)，根據(jù)斷口形貌分布規(guī)律等得出，隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材的塑性性能呈下降趨勢(shì)。

但是根據(jù)前人對(duì)斷口纖維區(qū)形貌變化特征的認(rèn)識(shí)，與本次試驗(yàn)結(jié)果向左，因此僅靠纖維區(qū)形貌變化是無法判斷材料的塑性特征，還需借助材料的力學(xué)性能綜合判斷[4]。對(duì)Gr.5鈦合金棒材試驗(yàn)樣材分別在840℃、810℃、780℃和750℃固溶溫度下保溫0.5h后空冷處理，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著固溶溫度的逐漸升高，Gr.5鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)固溶溫度在810℃及以上時(shí)，Gr.5鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度明顯降低，且出現(xiàn)較低的屈服應(yīng)力。

此外，在較低固溶溫度條件下，隨著固溶溫度的升高，Gr.5鈦合金棒材的生長(zhǎng)率逐漸升高，塑性變化總體不大。當(dāng)固溶溫度最高時(shí)，Gr.5鈦合金棒材的延伸率增大極為明顯，斷面收縮率也明顯增加。結(jié)合前人對(duì)斷口分析認(rèn)知，本次試驗(yàn)所得的拉伸斷口形貌特征與塑性變化規(guī)律的是矛盾的，結(jié)合本次獲得的合金的相變點(diǎn)溫度為820℃。一般來說在相變點(diǎn)以下升溫時(shí)，隨著固溶溫度的逐漸升高，鈦合金中可溶質(zhì)元素的回溶現(xiàn)象越強(qiáng)烈，也就意味著顯微組織中出現(xiàn)β相的概率也就越大；若在相變點(diǎn)以上升溫時(shí)，可以導(dǎo)致回溶元素全部回溶，意味著Gr.5鈦合金棒材顯微組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。由于β相與α相存在明顯的晶體結(jié)構(gòu)差異，前者以立方體晶型為主，而后者為六方形晶體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)晶體力學(xué)性能可知，立方體晶型存在較多的滑移面，即在受力過程中容易出現(xiàn)塑性滑動(dòng)；而六方體型晶體不容易發(fā)生塑性滑動(dòng)。綜上所述，隨著鈦合金材料中的β相的逐漸升高，鈦合金材料的塑性能力也逐漸升高。

3 結(jié)語

綜上所述，Gr.5鈦合金具有強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高和良好的高溫蠕變性能等而廣泛的應(yīng)用于我國高端產(chǎn)品中。在不同固溶溫度下，Gr.5鈦合金棒材的斷口形貌存在差異，在840℃固溶條件下，斷口處可見β相晶粒。

Gr.5鈦合金棒材斷口處纖維區(qū)中韌窩小時(shí)，韌窩明顯深，當(dāng)韌窩大時(shí)，韌窩明顯淺。在相變點(diǎn)以下升溫時(shí)，隨著固溶溫度的逐漸升高，鈦合金中可溶質(zhì)元素的回溶現(xiàn)象越強(qiáng)烈；在相變點(diǎn)以上升溫時(shí)，可以導(dǎo)致回溶元素全部回溶，顯微組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，隨著鈦合金材料中的β相的逐漸升高，鈦合金材料的塑性能力也逐漸升高。