轧后热处理工艺对Gr.5钛合金棒材断口形貌及组织的影响研究

2020-01-06杨碧芸赵文婷

中国金属通报 2020年5期

杨碧芸，雷杨，赵文婷

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

Gr.5钛合金（Ti-6Al-4V）是一种中等强度的α-β两相型钛合金，具有强度高、比强度高和良好的高温蠕变性能等而广泛的应用于我国高端产品中，如航空航天、海洋等领域[1，2]。Gr.5钛合金具有较强的活性，焊接过程中需要真空进行保护。由于钛合金材料具有稳定的性能，多数可热处理强化的金属材料之一。因此，可以通过固溶温度时效处理的方式分析钛合金材料的性能。在不同固溶温度下进行样材的拉伸试验，可以有效的分析钛合金断口形貌特征，并分析钛合金材料的塑性特征。基于此，本文以Gr.5钛合金棒材为研究对象，分析其在扎后热处理过程中对钛合金棒材断口形貌及组织的影响，为进一步改进钛合金锻造工艺奠定基础。

1 试验原材料及过程

本文试验所用材料为Gr.5钛合金铸锭，高品级海绵钛等，通过多次熔炼后制作成φ380mm的Gr.5钛合金。在1000℃～1100℃下将Gr.5钛合金铸锭制备成φ170mm的Gr.5钛合金棒材，在900℃～1000℃温度下将Gr.5钛合金棒材锻造成φ48mm棒材，在850℃～950℃温度下将Gr.5钛合金棒材轧制成φ10mm棒材若干个。试验过程中电炉为箱式电阻炉，将其分别置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶温度下，保温0.5h后空冷处理。将保温空冷处理后的样材使用扫描电镜观察Gr.5钛合金棒材的断口形貌，分析钛合金材料的塑性特征，为进一步研究该类钛合金材料的显微组织以及力学性能奠定基础。

2 实验结果与分析

2.1 断口形貌特征

将φ10mmGr.5钛合金棒材分别置于840℃、810℃、780℃和750℃固溶温度下，保温0.5h后空冷处理，通过扫描电镜获得不同固溶温度下钛合金棒材的断口形貌特征。根据试验可知，Gr.5钛合金棒材的断口主要分为两个部分：即纤维区和剪切唇区，其中纤维区主要分布在Gr.5钛合金棒材的中心部位，多呈椭圆形或者近圆形，断口表面呈粗糙不平状；剪切唇区主要分布在Gr.5钛合金棒材的周围边部区域，断口表面呈起伏状，但在宏观上呈光滑状。随着固溶温度的逐渐升高，Gr.5钛合金棒材中纤维区面积相对减少，当固溶温度升高至840℃时，Gr.5钛合金棒材中的纤维区逐渐消失，使得棒材的断口更加平整，且断口主要由光滑面和小韧窝构成。对试验棒材进行拉伸试验，结果显示拉伸断裂属于韧窝—微孔聚集型断裂，属于奠定的塑性断裂。因此，Gr.5钛合金棒材的塑性断裂可进一步划分为纤维区、放射区和剪切唇三部分。但是，在Gr.5钛合金棒材宏观照片上仅可见纤维区和剪切唇区，并未见到放射区。根据前人研究成果认为，钛合金棒材找那个纤维区面积较大的合金材料，钛合金的塑性性能更好[3]。由此可知，随着固溶温度从750℃逐渐升高至840℃，Gr.5钛合金棒材的塑性性能逐渐降低。

将样材2在固溶温度下进行拉伸试验，对拉伸产生的断口剪切形貌进行放大观察，结果显示，在固溶温度低于810℃以下时，断口的剪切唇一般由小韧窝构成，当Gr.5钛合金棒材在固溶温度更低的条件下，断口的形貌差别不大。当样材在固溶温度810℃条件下时，断口剪切唇由小韧窝构成，且韧窝的尺寸明显增大，但是韧窝的数量却减少；当固溶温度升高至840℃时，断口光滑面上不存在韧窝，但可见约40μm的β相晶粒出现。综上所述，当固溶温度在810℃以下时，不同试验样材之间的剪切唇具有较大差异，有的为光滑的，有的则由小韧窝构成，充分说明Gr.5钛合金棒材是塑性材料。但是当温度升高至840℃时，断口光滑面未见韧窝，且断口可见β相晶粒，说明Gr.5钛合金棒材的塑性性能较差。

此外，将样材3分别在固溶温度840℃、810℃、780℃和750℃条件下处理的Gr.5钛合金棒材保温0.5h空冷后放大观察，结果显示，当固溶温度不大于810℃，断口中心位置由不规则状的撕裂韧窝组成，且韧窝形状差异较大，方向差异较大，并且随着固溶温度逐渐升高，韧窝尺寸逐渐增大，但韧窝数量逐渐降低；当固溶温度持续升高至840℃，韧窝尺寸明显增大，深度更浅。综上所述，随着固溶温度的升高，样材3中单位纤维区范围内的韧窝数量减少，尺寸却逐渐增大。根据前人对断口韧窝的研究表明，断口处韧窝小且浅，说明钛合金塑性性能较差；若断口处韧窝大且深，说明钛合金塑性性能较好。因此，通过Gr.5钛合金棒材实验结果显示，断口处纤维区中韧窝小时，韧窝明显深，当韧窝大时，韧窝明显浅。这一变化与前人的认知相反。因此，仅依据纤维区形貌特征是无法判断材料的塑性特征的。

2.2 断口形貌特征与材料塑性的关系

根据上文对不同试验样材进行的固溶温度拉伸试验，根据断口形貌分布规律等得出，随着固溶温度的逐渐升高，Gr.5钛合金棒材的塑性性能呈下降趋势。

但是根据前人对断口纤维区形貌变化特征的认识，与本次试验结果向左，因此仅靠纤维区形貌变化是无法判断材料的塑性特征，还需借助材料的力学性能综合判断[4]。对Gr.5钛合金棒材试验样材分别在840℃、810℃、780℃和750℃固溶温度下保温0.5h后空冷处理，试验结果表明，随着固溶温度的逐渐升高，Gr.5钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，当固溶温度在810℃及以上时，Gr.5钛合金棒材的抗拉强度与屈服强度明显降低，且出现较低的屈服应力。

此外，在较低固溶温度条件下，随着固溶温度的升高，Gr.5钛合金棒材的生长率逐渐升高，塑性变化总体不大。当固溶温度最高时，Gr.5钛合金棒材的延伸率增大极为明显，断面收缩率也明显增加。结合前人对断口分析认知，本次试验所得的拉伸断口形貌特征与塑性变化规律的是矛盾的，结合本次获得的合金的相变点温度为820℃。一般来说在相变点以下升温时，随着固溶温度的逐渐升高，钛合金中可溶质元素的回溶现象越强烈，也就意味着显微组织中出现β相的概率也就越大；若在相变点以上升温时，可以导致回溶元素全部回溶，意味着Gr.5钛合金棒材显微组织全部转变为β相。由于β相与α相存在明显的晶体结构差异，前者以立方体晶型为主，而后者为六方形晶体结构。

根据晶体力学性能可知，立方体晶型存在较多的滑移面，即在受力过程中容易出现塑性滑动；而六方体型晶体不容易发生塑性滑动。综上所述，随着钛合金材料中的β相的逐渐升高，钛合金材料的塑性能力也逐渐升高。