退火温度对Ti80合金棒材组织与性能的影响

2018-05-03沈立华刘彦昌李修勇朱宝辉胡晓晨胡革全陈睿博

钛工业进展 2018年1期

沈立华，刘彦昌，李修勇，朱宝辉，胡晓晨，胡革全，陈睿博

(宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏石嘴山 753000)

0 引言

Ti80合金是我国自行研制的875 MPa级耐蚀可焊结构钛合金，相当于国外的Ti-6Al-12Nb-1Ta-0.8Mo合金[1]，其名义成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，是一种铝含量较高(5.5% ～6.5%，质量分数)并含有β稳定元素Nb、Mo和中性元素Zr的近α型钛合金[2]。该合金具有高的比强度、良好的塑性、优良的耐蚀性及良好的焊接性等优点，被广泛应用于潜艇、舰船[3]。而当潜艇、舰船等在海水中服役时，会受到海浪及海上漂浮物的冲刷和撞击，需要承受大的冲击载荷作用[4]。因此，为了保证Ti80合金材料的使用安全性，其强度、塑性和冲击韧性需达到良好匹配。目前国内学者已对Ti80合金进行了一些相关研究，但主要集中在对Ti80合金棒材锻造工艺、管材以及板材热处理工艺上[1-2]，而关于退火温度对Ti80合金棒材组织和性能影响的研究相对较少。

本研究则通过对比分析不同退火温度对Ti80合金棒材组织以及性能的影响，以期探究其中的影响规律，找到使Ti80合金棒材获得最佳强度、塑性和冲击韧性匹配的退火温度，为Ti80合金棒材的批量化生产以及在海洋工程中的推广应用提供一定的技术参考。

1 实验

实验原料为经真空自耗电弧炉3次熔炼而成的φ600 mm Ti80合金铸锭，化学成分见表1。升温金相法测得(α+β)/β相变温度为1 005 ℃。首先将Ti80合金铸锭在1 150 ℃保温4.5～5.5 h后，采用16MN快速液压锻造机进行变形量为88%左右的四镦四拔开坯锻造，然后用箱式电阻炉加热至相变点以下30～50 ℃进行多火次镦拔锻造，最终锻至φ165 mm棒坯。在棒坯上切取φ165 mm×20 mm的圆片5件，其中1件用于热加工态取样，其余4件分别在箱式电阻炉(控温精度为±1 ℃)中进行热处理试验。热处理工艺分别为650、700、750、800 ℃保温1 h后空冷。

表1 Ti80合金铸锭的化学成分(w/%)

在经4种不同退火工艺处理后的圆片和热加工态圆片上分别取弦向力学性能试样和冲击试样，利用钼丝线切割在圆片1/2半径处切取φ15 mm的横向金相试样。然后按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用INSTRON 4505万能试验机测试拉伸性能；按照GB/T 5168—2008《α-β钛合金高低倍组织检验方法》，采用Leica MM-6金相显微镜进行显微组织观察；按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，采用JB-S300A摆锤式冲击试验机测定试样冲击性能。

2 结果与分析

2.1 退火温度对显微组织的影响

图1为Ti80合金棒材热加工态及不同温度退火后的金相照片。由图1a可知，热加工态Ti80合金棒材组织为两相区锻造组织，为均匀的等轴组织。而经650 ℃热处理后，其显微组织(图1b)与热加工态(图1a)相比较基本没有变化。随着退火温度的逐渐升高，初生α相数量有所减少，次生α条明显出现析出长大现象(图1d、1e)，特别是从图1d中可以明显看出次生α条大量析出。图1e 中，次生α相数量较图1d有所增加，球状α相更加粗大。从图1b～1e可以发现，随着退火温度的升高，组织中次生α相增加。

2.2 退火温度对室温拉伸性能的影响

图1 Ti80合金棒材热加工态及不同温度退火后的显微组织Fig.1 Microstructures of Ti80 alloy bars at hot working state and after different annealing temperatures：(a)hot working state； (b)650 ℃；(c)700 ℃；(d)750 ℃；(e)800 ℃

表2为Ti80合金棒材经不同温度热处理后的室温拉伸性能。从表2可以看出，热处理温度对Ti80合金棒材强度的影响并不明显，热加工态抗拉强度平均值为910 MPa，800 ℃热处理后的抗拉强度平均值为893 MPa，抗拉强度平均值相差仅为17 MPa，屈服强度平均值相差也仅为9 MPa。此外，经650～800 ℃热处理后，Ti80合金棒材的强度数据波动较小，性能较为稳定。

从表2还可以看出，热处理温度对Ti80合金棒材延伸率和断面收缩率的影响较大。当热处理温度为650 ℃时，棒材的延伸率与热加工态相比较相差较小，且均不满足协议指标要求，这是由于性能与组织有密切关系，组织决定性能，而两者的组织较为接近(图1a、1b)。当退火温度为700 ℃时，延伸率测试值分别为13.5%、14.0%，满足协议指标要求；当退火温度为750～800 ℃时，热处理后棒材延伸率基本稳定在15%左右，断面收缩率稳定在54%左右，比650 ℃热处理棒材的延伸率高出24.5%、断面收缩率高出10.5%。

表2 不同状态下Ti80合金棒材的室温拉伸性能

对图1b～1e中的显微组织变化分析可知，随着热处理温度的不断升高，Ti80合金棒材显微组织中α相形貌不断变化，初生α相和次生α相均逐渐球化，组织更加均匀，残余应力得到进一步释放，棒材强度有所下降，塑性提高。这与表2中700～800 ℃之间Ti80合金棒材室温拉伸性能变化趋势是一致的。

2.3 退火温度对冲击韧性的影响

表3为Ti80合金棒材经不同温度热处理后冲击韧性的测试值及平均值。从表中可以看出，经过800 ℃热处理后Ti80合金棒材的冲击韧性较650 ℃热处理后高出18%左右，较700 ℃热处理后高出15.7%左右，较750 ℃热处理后高出9%左右。此外，还可以发现，随着热处理温度的升高，冲击韧性平均值呈现明显上升趋势。

结合图1d、1e，随着退火温度的升高，初生α相数量有所减少，出现球化长大趋势，次生α相呈条状析出。当显微组织中α相含量较少时，棒材的冲击韧性较高，这与冲击微裂纹的形核位置主要集中于初生α相界和α与β相界相关[3]。此外，较粗大的等轴α组织对裂纹扩展有明显的阻碍作用[5]，次生α相含量越高、越粗大，相应的冲击韧性越高[6]。