TA10鈦合金棒材組織與力學(xué)性能研究

張 起，張明玉，喬恩利，岳 旭，王雙禮

（1.新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839000；2.大連交通大學(xué) 連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028）

由于鈦及鈦合金具有耐高溫、耐低溫、低密度和高比強(qiáng)度等眾多優(yōu)點(diǎn)，在軍工、海洋、生物及化工等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-2]。TA10鈦合金的名義成分為Ti-0.3 Mo-0.8 Ni，屬于一種常見的近α型鈦合金，該合金是美國在20世紀(jì)所發(fā)明，其主要目的是替代高成本的Ti-0.2Pd合金，該合金除了具有較好的耐腐蝕性外，還具有中等強(qiáng)度的力學(xué)性能，其在化工領(lǐng)域、海洋工程和船舶工程等領(lǐng)域均廣泛使用，是目前市面上用途最廣泛的合金之一[3-4]。

因為該合金的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，國內(nèi)外大量學(xué)者對其進(jìn)行了研究，蘇娟華等[5]研究了TA10鈦合金的高溫拉伸斷裂極限，結(jié)果表明：對該合金的斷裂極限值影響較大的因素為應(yīng)變速率和溫度，提高變形溫度會增加斷裂極限值，隨著變形溫度升高到1 050℃時，斷裂極限值可達(dá)1.132；而升高應(yīng)變速率會導(dǎo)致斷裂極限下降，當(dāng)應(yīng)變速率為5 s-1時，斷裂極限為0.770。程帥朋等[6]研究了鍛造工藝對TA10鈦合金組織性能的影響，結(jié)果表明：增加合金的鐓拔次數(shù)，會使合金強(qiáng)度先上升后下降；合金的斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂；當(dāng)合金經(jīng)退火處理后，經(jīng)1鐓1拔后獲得網(wǎng)籃組織，經(jīng)2鐓2拔后獲得等軸晶組織，經(jīng)3鐓3拔后，組織變得粗大。

目前，雖然對該合金的研究較多，但鑒于工業(yè)生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用，生產(chǎn)工藝改進(jìn)仍是增加該合金使用范圍與使用前景的主要方法，本文提出一種新的鍛造工藝生產(chǎn)TA10鈦合金棒材，為該合金的生產(chǎn)應(yīng)用作出相應(yīng)參考。

1 試驗材料與方法

本試驗選用生產(chǎn)TA10鈦合金的原材料為海綿鈦和Mo-Ni中間合金，為保證生產(chǎn)鑄錠成分的均勻性，采用真空自耗熔煉爐進(jìn)行2次熔煉，隨后采用ICP測試鑄錠化學(xué)成分，測得TA10鈦合金鑄錠的具體化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：0.26% Mo、0.77% Ni、0.04% O、0.076%Fe和Ti余量。采用金相法測得TA10鈦合金鑄錠的相轉(zhuǎn)變溫度為890~895℃。隨后根據(jù)相轉(zhuǎn)變溫度設(shè)定加熱溫度為820℃，隨后使用自由鍛造機(jī)進(jìn)行2鐓2拔后直接制成直徑為150 mm的棒材，其間不采用回火加熱。相比于傳統(tǒng)鍛造工藝，本工藝的加熱溫度更低，且其間無回火階段，極大地減少了生產(chǎn)周期及生產(chǎn)成本。

將成品TA10鈦合金棒材進(jìn)行切割，隨后在切割好的TA10鈦合金棒材中整取樣并加工成金相試樣、硬度試樣及拉伸試樣，分別測試棒材橫向（T向）、縱向（L向）2個方向的拉伸性能、維氏硬度（測試條件為HV 5），并同時觀察其金相組織。金相組織觀察的光學(xué)顯微鏡型號為Axiomatic，維氏硬度測試設(shè)備型號為7MHVS硬度計，拉伸性能測試使用型號為INSTRON電子萬能試驗機(jī)，測試項目為抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）、斷后延伸率（A）和斷面收縮率（Z），為保證試驗準(zhǔn)確性，硬度測試取樣5點(diǎn)，拉伸性能每次試驗測試3個試樣，均最后取平均值，拉伸斷口微觀形貌使用ZIESS電子掃描顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 金相組織

經(jīng)鍛造加工后的TA10合金棒材金相組織如圖1所示。由圖1可知，棒材的組織為典型的等軸組織，金相組織主要由初生α相組成，初生α相形貌以等軸狀為主，同時組織中還包含β轉(zhuǎn)變組織，其位于初生α相之間，β轉(zhuǎn)變組織包含次生α相及殘余β相。由圖1還可知，棒材的T向與L向金相略有差異，其中T向相比于L向的組織中，其初生α相等軸化程度更高，均勻性更好，而L向的組織中，其初生α相形貌等軸化較差，有部分較為粗大的初生α相。

圖1 經(jīng)鍛造加工后的TA10合金棒材金相組織

合金在鍛造變形過程中，組織中的初生α相及β相都會發(fā)生塑性變形，最終形成等軸狀α組織，其中α相的形貌及含量受到變形溫度、變形量及合金成分等參數(shù)的影響。在鍛造過程中，隨著合金變形量的不斷增加，組織中粗大原始β晶粒受到壓應(yīng)力作用，會被壓扁及發(fā)生破碎，同時沿著合金變形的流動方向被拉長，并產(chǎn)生扭曲、破碎且順著變形方向進(jìn)行排列[7]。當(dāng)合金的變形達(dá)到一定程度時，組織中會形成帶狀結(jié)構(gòu)，在達(dá)到相應(yīng)條件后，組織中發(fā)生再結(jié)晶，進(jìn)而形成等軸狀α相[8]。

2.2 力學(xué)性能

經(jīng)鍛造加工后的TA10合金棒材的力學(xué)性能如圖2所示。由圖2（a）可知，在棒材的拉伸性能方面，其抗拉強(qiáng)度（Rm）和屈服強(qiáng)度（Rp0.2）均是T向較高，其中棒材T向的抗拉強(qiáng)度為536 MPa，屈服強(qiáng)度為410 MPa，棒材L向的抗拉強(qiáng)度（Rm）為489 MPa，屈服強(qiáng)度（Rp0.2）為338 MPa。由圖2（b）可知，在塑性方面，其T向與L向塑性性能接近，差異較小，其中棒材T向的斷后延伸率（A）為21%，斷面收縮率（Z）為35%，棒材L向的斷后延伸率（A）為23%，斷面收縮率（Z）為36%。

棒材的拉伸性能整體強(qiáng)度較低，而塑性較高，這是因為鍛造棒材為等軸組織，形貌以等軸狀α相為主。由于等軸狀α相內(nèi)能進(jìn)行開動的滑移系較多，棒材試樣在進(jìn)行拉伸時，組織內(nèi)部會產(chǎn)生滑移，位向因子會在體積最大的等軸α相中率先開動，因為等軸組織中包含較多的等軸α相，試樣在拉伸時產(chǎn)生的變形能夠快速擴(kuò)散到其余的晶粒中，避免了滑移在個別的α晶粒中開動，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致合金試樣發(fā)生開裂，最終發(fā)生斷裂。因為棒材L向的組織中存在較為粗大的初生α相，在拉伸的過程中，組織中粗大的初生α相會導(dǎo)致變形不能均勻地分散到其余晶粒中，使其容易發(fā)生應(yīng)力集中，使棒材過早發(fā)生屈服現(xiàn)象，最終發(fā)生斷裂[9-10]。

由圖2（c）可知，棒材T向與L向的硬度值十分接近，其T向硬度值為210 HV，L向硬度值為203 HV。因為硬度值的測試與拉伸測試有所區(qū)別，硬度測試為組織中α相的性能，因為棒材組織為等軸組織，在進(jìn)行硬度測試過程，取樣位置整體均以初生α相為主，較少點(diǎn)會取自其余組織，導(dǎo)致棒材T向與L向的硬度值十分接近。

圖2 TA10合金棒材的力學(xué)性能

2.3 拉伸斷口微觀形貌

TA10合金棒材拉伸斷口微觀形貌如圖3所示。由圖3可知，棒材T向與L向拉伸斷口微觀形貌幾乎一致，均是以等軸狀韌窩為主，其中韌窩形貌與數(shù)量是體現(xiàn)合金塑性大小的主要依據(jù)，當(dāng)韌窩數(shù)量較多且深時，棒材具有較高的塑性值；當(dāng)韌性數(shù)量較少且淺時，合金具有較低的塑性值。韌窩的產(chǎn)生是由于棒材進(jìn)行拉伸時，較快的應(yīng)變速率會使位錯在滑移過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致組織中的微孔發(fā)生形核，在拉伸不斷進(jìn)行過程中，位錯運(yùn)動受到的排斥力降低，微孔內(nèi)會有少量位錯進(jìn)入，再次激活位錯源，因為棒材在塑性變形的過程中會不斷形成新的位錯，導(dǎo)致微孔內(nèi)會連續(xù)不斷地進(jìn)入新形成的位錯，促使微孔生長，微孔不斷地匯聚在斷口處，并且留下痕跡，最終形成韌窩[11]。在棒材的斷口微觀形貌中還發(fā)現(xiàn)少量的二次裂紋，這是因為組織中存在β轉(zhuǎn)變組織，棒材在拉伸過程中，位錯運(yùn)動受到阻塞作用，導(dǎo)致位錯的運(yùn)動產(chǎn)生一定偏移所導(dǎo)致，同時在棒材L向的斷口微觀形貌中有較為明顯的撕裂棱，撕裂棱的出現(xiàn)代表棒材的強(qiáng)度較大，這與棒材實(shí)際拉伸性能一致[12]。

圖3 TA10合金棒材拉伸斷口微觀形貌

3 結(jié)論

（1）鍛造加工后棒材組織為等軸組織，主要由等軸狀初生α相組成，組織中還包含少β轉(zhuǎn)變組織，棒材T向的初生α相等軸化程度更高。

（2）棒材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均是T向較高，其中棒材T向的抗拉強(qiáng)度為536 MPa，屈服強(qiáng)度為410 MPa，棒材L向的抗拉強(qiáng)度為489 MPa，屈服強(qiáng)度為338 MPa；在塑性方面，其T向與L向數(shù)值接近，差異較小，其中棒材T向的斷后延伸率為21%，斷面收縮率為35%，棒材L向的斷后延伸率為23%，斷面收縮率為36%，棒材T向與L向的硬度值十分接近，其T向硬度值為210 HV，L向硬度值為203 HV。

（3）棒材T向與L向拉伸斷口微觀形貌幾乎一致，均是以等軸狀韌窩為主，在棒材的斷口微觀形貌中還發(fā)現(xiàn)少量的二次裂紋。