热处理工艺对Ti80合金棒材组织及性能的影响

2013-12-23李进元王宏权

机械工程与自动化 2013年2期

侯鹏，李进元，李维，蒲宣，王宏权，郭征

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

0 引言

随着Ti80钛合金在船舶、石油工业中的应用日益广泛，其半成品的品种不断增加（如棒材、板材、饼材和锻件等），并且制造工艺也趋于多样化。Ti80合金名义成分为Ti－6Al－3Nb－2Zr－Mo，是一种近α型钛合金，靠α稳定元素（Al）、中性元素Zr和少量β稳定元素（Mo、Nb）来强化合金。其密度比钢小56%，强度质量比比钢提高约40%，由于具有比强度高、耐海水及其他介质腐蚀性能好、抗疲劳性能好、无低温脆性、无磁、焊接性能优良等特点，与Ti－6Al－4v（ELI）相比，综合性能更优，可用于制造高压容器、深潜器的耐压壳体、船舶焊接结构件等［1］。

该合金具有难变形、组织均匀性不易控制等特点［2］，因此造成了其力学性能不够稳定，本文针对这一点对Ti80合金棒材进行不同热处理工艺下组织和性能的研究，以获得最佳组织和力学性能，为棒材等半成品的热处理提供理论和实践依据。

1 实验

1.1 实验材料

采用三次真空自耗电弧炉熔炼的Ti80钛合金铸锭，锭型直径为Φ720mm，其化学成分见表1。用金相法测定铸锭的相变点为990 ℃～995 ℃，铸锭开坯选用β相区温度锻造，经多火次的中间锻造制成一定尺寸的坯料，最终在两相区锻制成棒材、饼材和锻件。

1.2 实验方法

对锻件试样进行以下4 种热处理：①800 ℃／60 min，AC（即860 ℃保温60 min，空冷）；②825 ℃／60 min，AC；③850 ℃／60 min，AC；④900 ℃／60 min，AC。用金相显微镜观察金相组织，并进行SEM 分析。对试样进行室温力学性能分析。

表1 Ti80合金的化学成分（质量分数） %

2 结果和分析

2.1 显微组织

图1为Ti80多规格成品试样经825℃／60min热处理后的高倍照片。从图1中可以看出，显微组织为初生α相和条状β 转变组织构成的等轴组织，即α 等初＋β转变组织。α 相呈椭球状和短条状，大小均匀，其中Φ14.5规格棒材组织中α初含量在60%左右，其余规格棒材α初含量在70%左右，均匀分布于β转变基体上。经其他温度热处理后的显微组织形貌和尺寸与图1相近。

图1 Ti80不同规格棒材及锻件的显微组织

2.2 棒材的力学性能

2.2.1 不同热处理制度对棒材组织和性能的影响

棒材Φ14.5 不同热处理制度下的室温力学性能随退火温度变化曲线如图2 所示。对Φ14.5 mm 棒材，采用了以下4种热处理工艺：①800 ℃／60min，空冷；②825 ℃／60min，空冷；③850 ℃／60min，空冷；④900 ℃／60min，空冷。由图2 可知，不同热处理棒材性能存在一定差异，800 ℃退火处理后的棒材抗拉强度最高、屈服强度最低，塑性较差；850 ℃退火处理后的棒材强度较低、塑性最差；900 ℃退火处理后的棒材抗拉强度最低、屈服强度最高，塑性最高；825 ℃退火处理后的棒材可以保证强度和塑性的最佳配合。探伤结果均满足相关协议标准A1级探伤要求。

图2 Φ14.5棒材的力学性能随退火温度变化曲线

2.2.2 棒材热处理工艺与冲击韧性的关系

图3是Ti80合金Φ14.5、Φ52、Φ100三种规格棒材不同退火温度下的冲击值比较。由图3 可见，在800 ℃退火时，Φ14.5棒材冲击值基本处于临界值，随着退火温度的升高，冲击值逐渐提高，当温度升至900℃时，冲击值升高较明显。Ti80在300℃以下能保证组织的长期稳定性［3］，所以，经退火的Ti80合金零件能满足舰船耐压壳体使用环境要求。