文／鄭鵬飛，王文波，張曉龍，葛金余，屠孝斌，段曉輝，張雪敏·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

本文結(jié)合小規(guī)格棒材的加工特點(diǎn)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，旨在探明退火溫度對(duì)TA18 鈦合金組織與性能的影響規(guī)律，并得出結(jié)論：當(dāng)退火溫度在750 ～800℃之間時(shí)，TA18 鈦合金棒材綜合力學(xué)性能較為良好，其強(qiáng)度與塑韌性的匹配性良好，并且當(dāng)退火溫度上升到900℃時(shí)，顯微組織中有β 轉(zhuǎn)變組織的出現(xiàn)。

TA18 鈦合金，其名義成分為T(mén)i-3Al-2.5V，作為微合金化的近α 型鈦合金，其具備比強(qiáng)度高、密度小、耐蝕性好以及線膨脹系數(shù)小等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等高端運(yùn)輸裝備領(lǐng)域。前期，劉正喬等人對(duì)TA18 鈦合金卷的常規(guī)熱連軋工藝進(jìn)行了研究；代金、楊建朝、李毅等人先后對(duì)TA18 鈦合金管材軋制及應(yīng)用技術(shù)等進(jìn)行了相關(guān)研究。可見(jiàn)對(duì)TA18 鈦合金的研究主要集中在管材、薄板(卷材)等方面，未見(jiàn)對(duì)TA18 鈦合金棒材進(jìn)行相關(guān)研究的文章與報(bào)道。但隨著TA18 鈦合金應(yīng)用的推廣，目前已經(jīng)有了小規(guī)格棒材的應(yīng)用需求，因此本文采用我公司鍛造生產(chǎn)的小規(guī)格棒材，摸索退火溫度對(duì)TA18 鈦合金棒材組織與性能的影響規(guī)律，以便為其應(yīng)用推廣提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)參考。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料是我公司經(jīng)過(guò)真空自耗電弧爐二次熔煉的φ700mm錠型鑄錠經(jīng)過(guò)β區(qū)開(kāi)坯鍛造＋兩相區(qū)鍛造(鐓粗和拔長(zhǎng))＋兩相區(qū)徑向鍛造等一系列工序生產(chǎn)的φ40mm 棒材。試驗(yàn)所用試樣采用線切割取樣，取樣部位均為棒材頭部的心部部位。

根據(jù)國(guó)標(biāo)YS/T 1262-2018 的試驗(yàn)方法測(cè)得化學(xué)成分見(jiàn)表1，經(jīng)連續(xù)升溫金相法測(cè)定該棒材本體相變點(diǎn)為930℃。

表1 鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)方法

對(duì)選材進(jìn)行不同溫度的退火處理，熱處理制度見(jiàn)表2。最后進(jìn)行室溫性能測(cè)試，包括顯微組織的觀察、拉伸性能的測(cè)試。

表2 試驗(yàn)熱處理工藝

力學(xué)拉伸試驗(yàn)在英斯特朗萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度15℃，環(huán)境濕度38%，試驗(yàn)過(guò)程符合GB/T 228-2010 的要求。

顯微組織觀察是在20℃環(huán)境溫度和40%環(huán)境濕度下進(jìn)行，經(jīng)腐蝕劑擦拭腐蝕5s，在OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡上觀察組織。所用腐蝕劑體積配比為5%HF+12%HNO3+83%H2O，試驗(yàn)過(guò)程符合GB/T 228-2010 的要求。

結(jié)果與分析

顯微組織分析

圖1 為經(jīng)過(guò)不同溫度的退火組織，可以看出TA18 鈦合金經(jīng)過(guò)不同溫度退火之后，組織由α 晶粒與β 轉(zhuǎn)變組織組成。當(dāng)溫度低于850℃時(shí)，呈現(xiàn)典型的α 等軸晶粒(α 晶粒占比基本在85%以上)，基本無(wú)次生α 相與β 轉(zhuǎn)變組織的產(chǎn)生(占比5%～9%)，顯微組織基本穩(wěn)定，并且α 晶粒在極少數(shù)的局部區(qū)域連接成片；而當(dāng)退火溫度為900℃時(shí)，顯微組織發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橛搔罗D(zhuǎn)變組織占主導(dǎo)地位，呈現(xiàn)長(zhǎng)條狀與塊狀聚集態(tài)分布，并且初生α 相更加粗化且轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆牡容S晶粒，值得注意的一點(diǎn)，此時(shí)的初生α 相占比只剩不到25%。

就晶粒的大小而言，當(dāng)退火溫度在500 ～750℃時(shí)，α 晶粒比較細(xì)小并且組織較為致密，此時(shí)并未發(fā)生再結(jié)晶形核現(xiàn)象，并且初生α 晶粒并沒(méi)有因?yàn)闇囟鹊纳叨霈F(xiàn)異常長(zhǎng)大；當(dāng)溫度在750 ～850℃之間時(shí)，初生α 晶粒出現(xiàn)了不均勻長(zhǎng)大現(xiàn)象，并且在顯微組織的局部發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象，隨之溫度的升高伴隨著再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，晶粒變得粗化且大小不均勻；當(dāng)溫度為900℃時(shí)，由于溫度過(guò)高，顯微組織中出現(xiàn)了β 轉(zhuǎn)變組織，組織的不均勻性增大，并且α 晶?？焖贉p少。

室溫力學(xué)性能

圖2 為不同退火溫度的室溫力學(xué)性能，不同熱處理制度的室溫拉伸力學(xué)性能見(jiàn)表3，隨著退火溫度的逐漸上升，TA18 鈦合金抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，而延伸率與斷面收縮率呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)。這是由于隨著溫度的不斷升高，晶界的移動(dòng)速度會(huì)緩慢加快，隨即造成晶粒間的相互融合，并且溫度越高，晶界的自由能會(huì)增加，會(huì)越來(lái)越容易產(chǎn)生移動(dòng)現(xiàn)象。

表3 不同熱處理制度的室溫拉伸力學(xué)性能

根據(jù)Hall-Petch 公式，材料的強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生緩慢的下降。就強(qiáng)度而言，當(dāng)退火溫度在550 ～750℃之間時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度變化相對(duì)較為緩慢；而材料的強(qiáng)度在750 ～800℃時(shí)相對(duì)快速下降；當(dāng)退火溫度高于800℃時(shí)，強(qiáng)度又呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)；在退火溫度為900℃時(shí)，材料的強(qiáng)度值最低，這是由于TA18 鈦合金的再結(jié)晶溫度在720℃左右，當(dāng)退火溫度遠(yuǎn)高于其再結(jié)晶溫度時(shí)，材料局部出現(xiàn)了再結(jié)晶形核現(xiàn)象，并且形核現(xiàn)象極不均勻，甚至出現(xiàn)了晶粒的異常長(zhǎng)大現(xiàn)象。在此過(guò)程中材料內(nèi)部位錯(cuò)密度降低，其在塑性變形直至斷裂的過(guò)程中，材料的強(qiáng)度也會(huì)隨之急劇降低，在這里再結(jié)晶產(chǎn)生的不均勻形核現(xiàn)象主要對(duì)金屬材料力學(xué)性能起到“軟化”的作用。

就塑性而言，當(dāng)退火溫度在550 ～750℃之間時(shí)，材料的塑性變化相對(duì)較為緩慢；而材料的塑性在750 ～800℃時(shí)相對(duì)快速上升；當(dāng)退火溫度高于800℃時(shí)，塑性又呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)；在退火溫度為850 ～900℃之間時(shí)，材料的伸長(zhǎng)率和斷面縮率最高?？傮w而言，當(dāng)退火溫度選擇在750℃時(shí)，晶粒細(xì)小且分布均勻，α-Ti 含量占比較大，因其具備的密排六方結(jié)構(gòu)在金屬發(fā)生塑性變形甚至斷裂的過(guò)程中抗力較大，使其具備較高的強(qiáng)度與較為理想的塑韌性，此時(shí)強(qiáng)度與塑韌性達(dá)到良好的匹配，TA18 鈦合金材料具備最為良好的綜合性能。

結(jié)論

⑴隨著退火溫度的升高，TA18 鈦合金強(qiáng)度隨之下降，550 ～750℃之間強(qiáng)度的變化相對(duì)較為緩慢，而高于750℃時(shí)，強(qiáng)度的下降加快。

⑵當(dāng)退火溫度為900℃時(shí)，其組織中β 轉(zhuǎn)變組織較多，而初生α 相較少；當(dāng)溫度低于850℃時(shí)，顯微組織為典型的α 相。

⑶當(dāng)退火溫度在750 ～800℃之間時(shí)，TA18 鈦合金綜合力學(xué)性能較為良好，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度與塑韌性的良好匹配。