熱處理工藝對(duì)TA17 鈦合金棒材組織與性能的影響

文/邱巖，張俊杰，韓琛宜，段曉輝，王文波，傅開(kāi)·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

本文探究鈦合金棒材在熱處理下的金相顯微組織、力學(xué)性能發(fā)生的變化。取相同錠號(hào)，不同節(jié)號(hào)的φ60mm 棒材，進(jìn)行熱處理和室溫力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明：TA17 鈦合金棒材經(jīng)不同溫度熱處理時(shí)，內(nèi)部組織由等軸α 相+晶間β相共同組成，伴隨著熱處理過(guò)程中溫度逐漸升高，初生α 相逐步趨于等軸化，初生α 相含量減少，β相的含量和體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。在740 ～780℃時(shí)，TA17 鈦合金綜合力學(xué)性能相比其他溫度區(qū)間較為優(yōu)秀，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、塑性和韌性的良好匹配。

TA17 鈦合金，其名義成分為T(mén)i-4Al-2V，是一種α 型鈦合金，具有低合金化的特點(diǎn)。其性能主要表現(xiàn)為：屈服強(qiáng)度約達(dá)到650MPa，中等強(qiáng)度鈦合金，較好的熱穩(wěn)定性、焊接性能和耐腐蝕性能，比強(qiáng)度高、耐高溫。因此常廣泛運(yùn)用在航空航天、化工、能源等領(lǐng)域。

從力學(xué)性能的角度觀察，合金的性能表現(xiàn)主要決定于其加工工藝、化學(xué)成分、對(duì)微觀組織的熱處理。當(dāng)化學(xué)成分一定時(shí)，加工過(guò)程和熱處理制度是影響其組織和性能的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)TA17 鈦合金板材制定了系統(tǒng)化的熱處理流程，并分析熱處理下對(duì)其性能、組織的影響；并對(duì)鈦合金板材進(jìn)行不同的熱處理制度，研究其組織和性能的關(guān)系。但目前尚缺乏熱處理對(duì)鈦合金棒材的性能、組織影響研究。本研究基于不同溫度下的熱處理試驗(yàn)，探究熱處理制度對(duì)TA17 鈦合金棒材組織和性能的影響，進(jìn)一步了解熱處理對(duì)鈦合金棒材的性能、組織影響，也為進(jìn)一步優(yōu)化鈦合金棒材的生產(chǎn)工藝、成品研發(fā)、工業(yè)應(yīng)用提供借鑒支持。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的是由寶鈦集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的，經(jīng)真空自耗電弧爐二次熔煉的φ696mmTA17鈦合金鑄錠，經(jīng)過(guò)β 區(qū)開(kāi)坯鍛造后兩相區(qū)(α+β)鍛造加兩相區(qū)精鍛機(jī)徑向鍛造等工序得到的φ60mm 棒材。本試驗(yàn)所用試樣取自棒材頭部中心位置，取樣方式為線切割取樣?；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)方法

TA17 鈦合金棒材熱鍛加工結(jié)束之后，從其上取下大小均等試樣，然后使用不同的熱處理溫度對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，熱處理制度如下：700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃，在進(jìn)行持續(xù)1.5h的溫度保持后，進(jìn)入空冷。各試樣熱處理后，分別測(cè)試各試樣力學(xué)性能,觀察顯微組織。在力學(xué)性能測(cè)試的拉伸試驗(yàn)中，依據(jù)GB/T 228.1-2021 標(biāo)準(zhǔn)在材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試。試驗(yàn)環(huán)境溫度12℃、環(huán)境濕度32%。沖擊性能試驗(yàn)按GB/T 229-2020 標(biāo)準(zhǔn)，在材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)環(huán)境溫度13℃，試驗(yàn)濕度33%。

在Axiovert 200 mat 金相顯微鏡上觀察組織，試驗(yàn)環(huán)境溫度15℃，環(huán)境濕度35%。金相腐蝕劑采用體積配比為7%HF+23%HNO3+70%H2O 的混合液。試驗(yàn)過(guò)程符合GB/T 5168-2020 標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)果與分析

顯微組織分析

TA17 鈦合金棒材原始組織是細(xì)晶粒球狀組織，合金在整個(gè)加熱過(guò)程中，鑄態(tài)合金經(jīng)鍛造變形，粗大的柱狀晶和等軸晶被破碎，并沿變形方向被拉長(zhǎng)。

試樣在不同溫度下熱處理并保溫相同時(shí)間1.5h，然后空冷其組織形貌如圖1 所示，白色區(qū)域?yàn)槌跎?相，黑色為β 相且多數(shù)存在于晶界處。在加熱至700℃時(shí)，組織形貌為初生α 相和晶界β 相構(gòu)成，見(jiàn)圖1(a)。隨溫度上升，TA17 鈦合金的顯微組織由細(xì)晶粒和粗晶粒球狀α 相+晶界β 相構(gòu)成，且不難發(fā)現(xiàn)部分晶粒的形狀向規(guī)則的多邊形轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，金屬為使其界面自由能最小，變形組織所具有的不規(guī)則晶界轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀涡螤钜?guī)則的多邊形晶界。經(jīng)過(guò)回復(fù)和再結(jié)晶過(guò)程，部分小角度晶界β 相減少，由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅螤?，大角度?相晶界增加并最終轉(zhuǎn)化形成等軸晶。

圖1 不同溫度熱處理的TA17 金相圖

由圖1 可得，逐步升高熱處理溫度將導(dǎo)致初生α 相的體積分?jǐn)?shù)遞減、β 相體積分?jǐn)?shù)遞增，α 相晶粒尺寸增大、細(xì)晶粒β 相增多，這是由于合金元素的波動(dòng)，在β 相穩(wěn)定元素富集的區(qū)域，α 相率先轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，當(dāng)溫度升高至800℃，TA17 鈦合金中出現(xiàn)次生α 相，隨著熱處理溫度上升至840℃，次生α 相體積分?jǐn)?shù)增大，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，β相中的最大固溶度升高，β 相中固溶了大量的α 相穩(wěn)定元素，在空冷過(guò)程中，α 相穩(wěn)定元素超過(guò)了其在β 相中的最大固溶度，α 相穩(wěn)定元素和β 相穩(wěn)定元素分離富集，最終導(dǎo)致次生α 相析出。

室溫力學(xué)性能

不同熱處理溫度對(duì)TA17 鈦合金棒材力學(xué)性能的影響如圖2 所示，在不同的熱處理溫度下，TA17 鈦合金的力學(xué)性能有所變化。表2 為試驗(yàn)所得力學(xué)性能數(shù)據(jù)。從700℃開(kāi)始，隨著溫度上升，抗拉強(qiáng)度上升，但溫度上升至760℃以上抗拉強(qiáng)度開(kāi)始減小，尤其是熱處理溫度達(dá)到800℃后，材料的抗拉強(qiáng)度降低到730MPa，此時(shí)繼續(xù)提升溫度會(huì)小幅提高抗拉強(qiáng)度。不同熱處理溫度下屈服強(qiáng)度的變化表現(xiàn)與之相似，在超過(guò)760℃時(shí)減小，在超過(guò)820℃后有小幅提高。在整個(gè)熱處理溫度區(qū)間斷面延伸率變化不大。如圖2所示，在700 ～760℃區(qū)間內(nèi)沖擊性能逐漸升高，在760 ～800℃區(qū)間內(nèi)沖擊韌性下降，800 ～840℃區(qū)間內(nèi)沖擊性能又升高。所以，在740 ～780℃之間，強(qiáng)度與塑性的匹配最好。

圖2 不同熱處理溫度對(duì)TA17 鈦合金棒材力學(xué)性能的影響

表2 試驗(yàn)所得力學(xué)性能數(shù)據(jù)

結(jié)束語(yǔ)

⑴TA17 鈦合金隨著溫度升高，β 相的含量和體積分?jǐn)?shù)增大。

⑵鈦合金棒材進(jìn)行不同溫度熱處理時(shí)，其棒材的顯微組織由等軸球狀α 相+晶間β 相構(gòu)成，初生α 相隨熱處理溫度上升而減少。

⑶熱處理溫度在740 ～780℃范圍時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑性、韌性匹配最好，熱處理所獲得的棒材綜合力學(xué)性能表現(xiàn)最佳。所以最佳的熱處理制度為(740 ～780℃)×1.5h/AC。