热处理工艺对TA24 钛合金棒材显微组织及性能的影响

2023-12-01张欢周娜郑鹏飞屠孝斌张雪敏李巍宝鸡钛业股份有限公司

锻造与冲压 2023年21期

文／张欢，周娜，郑鹏飞，屠孝斌，张雪敏，李巍·宝鸡钛业股份有限公司

TA24(Ti75)是低合金化Ti-3Al-2Mo-2Zr，系具有我国自主知识产权的近α 型合金，含有3%的α 稳定元素Al，对α 相起固溶强化作用；含有2%的β 稳定元素Mo，起到强化β 相并改善工艺塑性的作用；还含有中性元素Zr，改善金属的焊接性能。TA24钛合金名义成分的铝当量为3.5，钼当量为2，其主要性能特点是具有比TA5 更高的强度和更好的工艺塑性。该合金还具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能。

TA24钛合金最适合于制造形状复杂的板材冲压、焊接零部件，在舰船和医用领域获得广泛应用，其主要半成品是板材、管材、棒材、锻件、型材。本文采用我公司生产的小规格棒材，研究TA24 合金棒材热处理制度以及组织与力学性能之间的匹配关系，为工业生产提供指导帮助。

试验材料及方法

为了进一步研究热处理工艺与组织性能之间的匹配关系，试验采用宝钛集团真空自耗电弧炉经过二次熔炼的φ296mm 小型铸锭在两相区锻造的φ16mm棒材，采用线切割取样，取样部位均为棒材头部中心部位，合金化学成分如表1 所示。在棒材上截取样段进行750 ～900℃不同温度及时间的热处理试验，方案如表2 所示。试验显微组织在Axiovert200 MAT 光学显微镜上观测，室温拉伸性能在Instron5885 电子万能材料试验机上进行，室温冲击韧性在JNS-300摆锤式冲击试验机上进行。

表1 TA24 钛合金化学成分(质量分数，%)

表2 TA24 钛合金棒材热处理制度

试验结果及分析

退火对显微组织的影响

图1 为经过不同温度和时间热处理后的退火组织，可以看出TA24 钛合金棒材经过不同温度退火之后，组织为α 相与β 转变相，对比图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)可以看出：随着退火温度的升高，其初生等轴α 相等轴化程度提高，初生α 相含量降低，再结晶晶粒长大，还伴随有次生α 相增多。对比图1(a)和图1(e)，当温度在750℃时，随着退火时间的延长，显微组织变化不大。对比图1(b)、图1(c)与图1(f)、图1(g)，当温度在800 ～850℃时，随着退火时间的延长，α 相开始溶解，β 相含量增加。对比图1(d)和图1(h)，当退火温度在900℃时，随着退火时间的延长，α 相晶粒明显长大。

图1 TA24 棒材经不同温度退火后的显微组织

力学性能试验结果

试样整体按表2 所示制度热处理后，室温拉伸力学性能见表3。如图2 所示，TA24 合金的抗拉强度与规定非比例延伸强度随退火温度升高而下降，在保温2h 时，抗拉强度降低了25MPa，规定非比例延伸强度降低了25MPa。在保温4h 时，抗拉强度降低了45MPa，规定非比例延伸强度降低了30MPa。这是由于温度升高导致TA24 合金组织内α 相的尺寸随温度升高而变大，同时还伴有部分α 相的溶解及β 相成分的变化。随着保温时间的延长这种变化会更加明显。晶粒尺寸的增大让合金的力学性能降低，且合金处在较长的保温时间下组织内次生α 相已经充分析出并长大，温度越高，次生α 相粗化程度越大。

图2 抗拉强度与屈服强度

表3 不同热处理制度的室温拉伸力学性能

TA24 合金的塑性随着退火温度的升高呈增长趋势，如图3 所示。在保温2h 时，断后伸长率共增长了1%，断面收缩率共增长了2%。在保温4h 时，断后伸长率共增长了2%，断面收缩率共增长了3%。这是因为随着温度的升高，合金中的初生α 相含量逐渐下降，虽然从合金的β 相转变组织中析出次生α 相，能够提升合金强度，但由于合金中等轴初生α 相含量下降较多，原始β 相晶粒进一步长大，析出的次生α 相引起的强度增加弱于由组织粗化引起的强度下降，从而导致TA24 钛合金室温力学性能降低、塑性提高。这种变化随着保温时间的延长更加明显。

图3 断面收缩率和断后伸长率

由图4 可知，750 ℃和900 ℃时冲击值最高，800℃时次之，850℃冲击值最低。随保温时间延长，冲击指标先下降后升高。900℃×4h/AC 的热处理制度冲击值最高。当退火温度在800 ～850℃时，随着热处理温度升高，初生α 相体积分数减小，β 相的体积分数增大，并且α 相和β 相的晶粒尺寸逐渐增大，导致抗断裂韧性下降。当温度升高到900℃时，显微组织由β 相转变组织占主导地位。形变畸变能释放，再结晶晶粒增多，次生α 相长大，相界面增多。由于β 转变组织呈多变形，裂纹扩展时在合金组织中的扩展路径延长，抗断裂韧性升高。