熱處理工藝對(duì)TA24 鈦合金棒材顯微組織及性能的影響

文／張歡，周娜，鄭鵬飛，屠孝斌，張雪敏，李巍·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

鈦合金具有密度低，比強(qiáng)度高，無(wú)磁，可加工性好，耐海水腐蝕及海洋大氣腐蝕等優(yōu)良的綜合性能，在船舶海洋領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，TA24(Ti75) 是低合金化Ti-3Al-2Mo-2Zr，系具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近α 型合金，含有3%的α 穩(wěn)定元素Al，對(duì)α 相起固溶強(qiáng)化作用；含有2%的β 穩(wěn)定元素Mo，起到強(qiáng)化β 相并改善工藝塑性的作用；還含有中性元素Zr，可改善金屬的焊接性能。TA24 鈦合金名義成分的鋁當(dāng)量為3.5，鉬當(dāng)量為2，其主要性能特點(diǎn)是具有比TA5 更高的強(qiáng)度和很好的工藝塑性。目前對(duì)TA24 鈦合金棒材的研究與報(bào)道較少，本文采用我公司生產(chǎn)的小規(guī)格棒材，研究TA24 合金棒材熱處理制度以及組織與力學(xué)性能之間的匹配關(guān)系，為工業(yè)生產(chǎn)提供幫助。

試驗(yàn)材料及方法

為了進(jìn)一步研究熱處理工藝與TA24 組織性能之間的匹配關(guān)系，試驗(yàn)采用寶鈦集團(tuán)真空自耗電弧爐經(jīng)過(guò)二次熔煉的φ296mm 小型鑄錠在兩相區(qū)鍛造的φ16mm 棒材，試驗(yàn)所用試樣采用線切割取樣，取樣部位均為棒材頭部中心部位，其合金化學(xué)成分如表1所示。在該棒材上截取樣段進(jìn)行750 ～900℃不同溫度及時(shí)間的熱處理試驗(yàn)，編號(hào)1 ～8，熱處理制度分別為750℃×2h/AC，800℃×2h/AC，850℃×2h/AC，900℃×2h/AC，750℃×4h/AC，800℃×4h/AC，850℃×4h/AC，900℃×4h/AC。試驗(yàn)顯微組織在Axiovert200 MAT 光學(xué)顯微鏡上觀測(cè)，室溫拉伸性能在Instron5885電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，室溫沖擊韌性在JNS-300 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

表1 TA24 鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)結(jié)果及分析

退火對(duì)顯微組織的影響

圖1 為經(jīng)過(guò)不同溫度和時(shí)間熱處理后的退火組織，可以看出TA24 鈦合金棒材經(jīng)過(guò)不同溫度退火之后，組織為α 相與β 轉(zhuǎn)變相。隨著退火溫度的升高，其初生等軸α 相等軸化程度提高，初生α 相含量降低，再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，還伴隨有次生α 相增多。當(dāng)溫度在750℃時(shí)，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，顯微組織變化不大。當(dāng)溫度在800 ～850℃時(shí)隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，α 相開(kāi)始溶解，β 相含量增加。當(dāng)退火溫度在900℃時(shí)，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，α 晶粒明顯長(zhǎng)大。

圖1 TA24 棒材經(jīng)不同溫度和時(shí)間退火后的顯微組織

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試樣整體不同制度熱處理后，力學(xué)性能如表2所示。TA24 合金的抗拉強(qiáng)度與規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度隨退火溫度升高而下降：保溫2h，抗拉強(qiáng)度降低了25MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度降低了25MPa；保溫4h，抗拉強(qiáng)度降低了45MPa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度降低了30MPa。這是由于溫度升高導(dǎo)致TA24 合金組織內(nèi)的α 相的尺寸隨溫度升高而變大，同時(shí)還伴有部分α 相的溶解及β 相成分的變化。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)這種變化會(huì)更加明顯。晶粒尺寸的增大讓合金的力學(xué)性能降低，且合金處在較長(zhǎng)的保溫時(shí)間下組織內(nèi)次生α 相已經(jīng)充分析出并長(zhǎng)大，在溫度越高的情況下次生α 相粗化程度越大，從而對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

表2 不同熱處理制度的室溫拉伸力學(xué)性能

TA24 合金的塑性隨著退火溫度的升高呈增長(zhǎng)趨勢(shì)：在保溫2h 時(shí)鍛后伸長(zhǎng)率共增長(zhǎng)了1%，斷面收縮率共增長(zhǎng)了2%；在保溫4h 時(shí)鍛后伸長(zhǎng)率共增長(zhǎng)了2%，斷面收縮率共增長(zhǎng)了3%。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，合金中的初生α 相含量逐漸下降，雖然從合金的β 轉(zhuǎn)變組織中析出次生α 相，能夠提升合金強(qiáng)度，但由于合金中等軸初生α 相含量下降較多，原始β 晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，析出的次生α 相引起的強(qiáng)度增加弱于由組織粗化引起的強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致TA24 鈦合金室溫力學(xué)性能降低和塑性提高。這種變化隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)更加明顯。

后羿前面都是部落首領(lǐng)這些統(tǒng)治者，到后羿開(kāi)始才真正有了中國(guó)神話里的英雄人物。后羿射了九個(gè)太陽(yáng)，然后把前面提到的兇獸一個(gè)個(gè)斬殺。

900℃時(shí)沖擊值最高，750℃時(shí)次之，850℃沖擊值最低。隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，沖擊指標(biāo)先下降后升高。900℃×4h/AC 的熱處理制度沖擊值最高。當(dāng)退火溫度在800 ～850℃時(shí)，隨著熱處理溫度升高，初生α相體積分?jǐn)?shù)減小，β 相的體積分?jǐn)?shù)增大，并且α 相和β 相的晶粒尺寸逐漸增大，導(dǎo)致抗斷裂韌性下降。當(dāng)溫度升高到900℃時(shí)，顯微組織由β 轉(zhuǎn)變組織占主導(dǎo)地位。形變畸變能釋放，再結(jié)晶晶粒增多，次生α 相長(zhǎng)大，相界面增多。由于β 轉(zhuǎn)變組織呈多變形，裂紋擴(kuò)展時(shí)在合金組織中的擴(kuò)展路徑延長(zhǎng)，抗斷裂韌性升高。

大禹大禹是中國(guó)神話里的英雄，大禹治水大家都知道，但大禹還收拾掉了共工的2 個(gè)手下，他在昆侖之北斬殺了相柳(蛇身九頭的兇神)，在淮水?dāng)貧⒘藷o(wú)支祁(淮水水神，青身白頭的猿猴)。

結(jié)論

本文主要對(duì)兩相區(qū)加工的TA24 鈦合金棒材進(jìn)行了不同溫度及時(shí)間的退火熱處理，確定了力學(xué)性能和顯微組織與退火溫度的關(guān)系，具體結(jié)論如下：

⑴TA24 鈦合金隨著熱處理溫度的升高，不僅有再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，還伴隨有α 相的溶解和β 相成分的變化。

⑵隨熱處理溫度提高，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)略有降低，斷面收縮率指標(biāo)升高。

⑶根據(jù)對(duì)熱處理制度研究發(fā)現(xiàn)，900℃時(shí)沖擊值最高，750℃時(shí)次之，850℃沖擊值最低。